Altera FPGA设计安全工业芯片系统的验证方法

工业自动化、物流以及智能电网等很多工业领域都要求机械设备和产品具有安全性，经过了功能安全认证。当开发必须符合全世界安全标准的机械设备时，灵活性和逐渐增高的安全成本是非常重要的决定因素。

在这些应用中，安全要求产生了新的机械开发过程，增加了电子设备的复杂度，一般会导致显著增加硬件成本，延长了产品面市时间。工业芯片系统能够帮助工程师在获得IEC 61508产品认证过程中节省18个月的设计时间。具有Altera FPGA等经过认证的器件意味着，设计人员可以充分发挥FPGA的灵活性优势，不用担心这些器件能否用于安全应用。

设计挑战

如果公司计划将产品销售到需要符合当地安全规章制度的国家，这些国家要求有功能安全评估人员的认证，例如，新的机械建造规范(2006/42/EG)，这是产品出口到欧洲必须满足的要求，那么，这些公司必须在整个设计过程中采用安全方法，这样才能参与竞争。工厂操作人员需要对机械设备进行安全操作，以提高效能，例如，在部分机械设备还在工作时对设备进行维护，显著缩短开机和停机时间等。

当公司决定开发安全产品时，必须把安全作为核心系统功能。历史上，通过冗余控制器或者通信模块等其他功能，结合电路来监视系统，在系统中增加安全功能。与从开始就针对安全和成本竞争力进行优化的设计安全应用相比，这些置入的安全组件是事后加入到系统概念中，明显提高了成本，不够灵活，无法更新。

开发安全应用的设计挑战包括：
?采用“安全”设计方法以及安全概念。
?需要更多的工程投入(时间和技术)，结果产品推迟面市，提高了总体拥有成本。
?工程管理，采集所有系统组件的数据，根据安全规范要求对工程进行记录。

成功设计的关键是采用经过验证的设计方法，合格的工具和器件作为产品的一部分，从产品开发的一开始就考虑安全问题。

典型的应用步骤
如果没有想到安全问题，开发一个具体应用的五个典型设计步骤包括：
?体系结构开发
?组件选择
?应用设计实现
?集成和测试
?发布

第一步是产品体系结构，如图1所示。对于驱动器等典型的电机控制应用，设计步骤把系统分成系统控制、通信和实时电机控制功能等部分。例如，对于系统的控制部分和实时部分，体系结构选择软件实现，对于通信部分确定使用硬件/软件方法，以支持实时工业以太网通信协议。

图1.体系结构开发

下一步是选择组件(图2)。做出决定后，具体实施时，控制软件可能运行在标准应用处理器上，在数字信号处理器(DSP)上实现实时电机控制部分，而采用基于FPGA的方法实现系统中的通信部分。采用FPGA，系统能够在可以互换的相同器件中灵活的实现各种工业以太网标准，例如以太网/IP、EtherCat、PROFINET，或者SERCOS III等。利用灵活的通信部分体系结构，可以定制标准硬件平台，很容易满足最终用户的特殊协议需求。

图2.组件选择

确定如何划分并选择了组件后，设计团队可以针对各自的应用展开开发工作。然后，他们将组件集成为一个完整的系统，测试系统功能，发布产品。

增加安全性
如果按照产品要求，开发功能安全设计，则需要增强其他的工程阶段，如图3黄色部分所示。

图3.根据安全步骤而增加的设计步骤

设计安全应用的目的是获得功能安全认证，例如IEC 61508等，因此，这导致工程越来越复杂。IEC 61508规范涵盖了从开发具体应用到产品退出市场的整个安全生命周期。按照安全标准的步骤和过程，则需要简化与评估人员的通信，以确保能够清楚的理解安全目标、概念、过程和解决方案，满足安全要求。

工程启动和风险分析
在工程启动和风险分析阶段，根据应用的一般要求来确定安全范围。对于实施阶段，确定并梳理和记录应用所需要和能够实现的安全完整性等级(SIL)，作为风险分析和评估的基础。风险分析是以后测量的基础，它表明了对产品边界的理解，与产品范围定义密切相关。它是所需SIL的基础，详细定义了安全功能，以及产品文档框架。这需要在组件级以及系统级完成。

体系结构开发
然后，设计人员开发体系结构来满足功能和安全要求。他们对安全要求进行提炼，记录在操作和维护阶段实现的某些功能，确定验证能否满足安全要求而需要采取的策略。

安全要求规范
对于安全驱动，工程范围可能包括几个方面，例如，确定驱动参数是否在允许的范围内，或者，安全I/O信号是否是关键事件等。驱动最基本的安全特性是“安全关闭”(STO)，以安全方式断开电机电源。这一过程还可能包括与出现安全事件的整个自动化系统进行通信，必须在一定的时间周期内进行评估，例如，按照一系列步骤顺序关断整个应用。

验证和认证规划
验证规划的开发包括受控失败插入方法，以测试系统，进行其他的监控，观察系统，对比当前参数和预先确定的参数，以及允许值。