FPGA设计五大优势 凸显工业应用灵活性

　　可编程逻辑器件（PLD）是嵌入式工业设计的关键元器件。在工业设计中，PLD已经从提供简单的胶合逻辑发展到使用FPGA作为协处理器。该技术在通信、电机控制、I/O模块以及图像处理等应用中支持I/O扩展，替代基本的微控制器（MCU）或者数字信号处理器（DSP）。

　　随着系统复杂度的提高，FPGA还能够集成整个SoC，与分立的MCU、DSP、ASSP，以及ASIC解决方案相比，大幅度降低了成本。

　　不论是用作协处理器还是SoC，Altera FPGA在您的工业应用中都具有以下优势：

　　1. 设计集成——使用FPGA作为协处理器或者SoC，在一个器件平台上集成IP和软件堆栈，从而降低成本。

　　2. 可重新编程能力——在一个公共开发平台的一片FPGA中，使工业设计能够适应协议、IP以及新硬件功能的发展变化。

　　3. 性能调整——通过FPGA中的嵌入式处理器、定制指令和IP模块，增强性能，满足系统要求。

　　4. 过时保护——较长的FPGA产品生命周期，通过FPGA新系列的器件移植，延长工业产品的生命周期，保护硬件不会过时。

　　5. 熟悉的工具——使用熟悉的、功能强大的集成工具，简化设计和软件开发、IP集成以及调试。

　　设计集成

　　现代工业系统设计人员面临很多挑战，包括，系统复杂度、标准的变化、性能需求，以及系统总成本等，如图1所示。

　　图1.关键工业设计挑战

　　作为一名工业系统设计人员，您可以确定是否使用FPGA作为协处理器（也称为I/O辅助或者I/O hub器件），还是完整的SoC解决方案。您可以在相同的电路板上组合使用标准主处理器和FPGA，由外部主处理器完成系统处理功能。

　　然而，功能固定的处理器在工业应用中通常缺少关键的接口、功能或者性能。您可以将部分处理任务移到FPGA中，从而减轻处理器的工作。或者，您在一个基于FPGA的SoC平台上集成所有处理器功能，降低设计复杂度，减少系统总成本。

　　很多MCU或者DSP解决方案如果要同时运行电机控制任务和通信功能，其带宽将无法满足需求。结果，您可能需要增加其他的ASSP、MCU或者FPGA器件，如果目前的电路板无法承载这些器件，那么只能将其作为昂贵的置入卡来使用。相似的，不同的现场总线以及发展的工业以太网协议标准也需要针对每一协议采用专用ASSP、MCU或者FPGA器件。由于某些标准需要协议专用硬件（MAC）和协议专用软件堆栈，因此，这些工作是必须的。FPGA支持您在协处理器中集成系统功能，根据需要随时修改设计。

　　图2显示了一个运动和电机控制平台，它发挥了Altera FPGA的优势，作为DSP卸载引擎和工业网络的协处理器。电机控制器通过控制速度和电流（转换为扭矩设置），设置电机的能效和精度。相似的，运动控制则主要完成位置和时序精度控制功能。在很多情况下，电子硬件都是相似的，主要的差别在于控制软件或者算法，以及I/O接口。

　　图2中的例子显示了一个典型的控制器，它依靠一个主MCU或者DSP器件（主处理器）来运行算法，驱动电机或者运动控制器的电源级。当主处理器达到其性能极限时，设计人员可以提高器件时钟速率，以提升处理器性能。但是，对性能增益是有限制的，这种方法可能会带来其他问题，例如，需要更新到速度更快的存储器，其他硬件的性能，以及优化软件需要更多的时间等。

　　在这种情况下，将某些主处理器功能卸载到FPGA协处理器中有助于简化系统，使用FPGA进行通信，帮助您随着工业以太网协议等标准的发展而灵活的进行修改。然后，您对FPGA重新编程，使用相同的硬件平台来满足需求。

　　在一个SoC FPGA器件平台上集成设计元器件，进一步简化了设计复杂度，降低了系统总成本。图3显示了一个简单的工业电机控制系统，FPGA现在起到了SoC的功能，集成DSP模块、存储器、视频图形控制器、电机编码器以及其他元器件。您可以简单的加入PHY和其他模拟以及电源器件，从而完成设计。

　　此外，电机控制应用通常还需要采用反馈机制来计算当前速率和位置。对于FPGA，很多经过优化的数字编码器接口IP内核只能用作IP，支持在接口上使用FPGA。在FPGA上集成IP减小了电路板尺寸，减少了元器件数量，简化了装配，降低了存储要求。这种集成方法减少了电路板上的元器件数量，从而提高了系统可靠性。Altera FPGA支持很多其他系统功能，例如，嵌入式处理器、DSP模块、LCD显示屏和视频处理器等。

图4显示了另一应用实例，其FPGA用作视频监控应用中的协处理器。视频监控市场越来越多的采用了宽动态范围（WDR）摄像机传感器，能够分辨从背景到逆光条件下的目标物体。