Anwendungsspezifische FPGA
Plattformen für MSR-Anwendungen

Anwendungsspezifische FPGA Plattformen für MSR-Anwendungen
Kostenoptimierte FPGA Plugin-Module für industrielle Steuerungen
28.05.2012 | Für rechenintensive Mess- und Regelanwendungen werden häufig Standard-DSPs benutzt. Diese sind für viele Fälle die optimale Lösung, in einigen Applikation verbergen sich aber Kosten und Risiken, die den Einsatz von FPGA- und SoPC-Technologie sinnvoll machen. Hierfür gibt es mittlerweile kostengünstige und einfach zu implementierende Lösungen.

Messen-Steuern-Regeln – Seit Jahren eine Domäne für digitale Signalprozessoren (DSPs). Diese sind sicherlich für viele Anwendungen die kostengünstigste Lösung und die Technologie der Bauteile sowie der zur Implementierung und zum Test benötigten Software ist bekannt und ausgereift. Mit dem DSP-Bauteil auf dem Board alleine ist es aber nicht getan, die Umgebung (benötigte Leiterplattentechnologie, Speisung, Externer ROM/RAM Speicher, A/D und D/A Umsetzer, Anti-Aliasing-Filter, Taktgeber, Kommunikationsschnittstellen, Betriebssysteme) sowie allfälliger Einarbeitungsaufwand muss bei einer Kostenschätzung ebenfalls in Betracht gezogen werden. Die Anzahl der externen Komponenten ist natürlich abhängig von der Applikation, sowie vom einzusetzenden DSP. Alles in allem gilt es, eine der Anwendung angepasste, möglichst einfache Architektur zu finden, die sowohl die Bauteilkosten als auch die Produktionskosten und den nicht auf die Applikation verwendeten Entwicklungs-Overhead auf ein Minimum reduziert

Um eine kostenoptimierte Lösung zu erreichen, muss sich der Entwickler im Vorfeld einige wichtige Fragen stellen:

  1. Was muss die Signalverarbeitung überhaupt leisten?
  2. Gibt es Parallelität im Ablauf? Wenn ja, in welchem Mass?
  3. Wie hoch sind die Realtime-Anforderungen? Wie viele Prozesse sind hiervon betroffen?

Insbesondere der letzte Punkt ist sicherlich auch Bestandteil einer Risikoabschätzung, denn bei Standard-DSPs Bauteilen sind mehrere schnell ablaufende Realtime-Prozesse, die sich gegenseitig behindern können, ein absolutes Killer-Kriterium. Bei technischen Problemen wird sehr schnell ein zweiter DSP und eine Synchronisation nötig. Dies verkompliziert die Anwendung drastisch und führt im besten Fall zu Verzögerungen.

Für Anwendungen mit parallel ablaufenden Prozessen und schwierigen Realtime-Anforderungen sind FPGAs und „System-On- Programmable Chip“ (SoPC) ideal. Da ein SoPC sowohl FPGA-Logik zur Implementierung von Signalverarbeitungsalgorithmen als auch einen Mikroprozessor enthält, sind die Möglichkeiten beider Welten kombiniert. Hier müssen aber die totalen Kosten gegenüber einer Lösung mit einem kleinen externen Controller verglichen werden.

Digitale Signalverarbeitung und Regelungstechnik mit FPGA

Digitale Signalverarbeitung und Regelungstechnik mit FPGA
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Eine FPGA-Plattform für industrielle Anwendungen enthält verschiedene Bauteile

FPGAs bieten rein schon durch die Möglichkeit der Parallel-Verarbeitung von Signalen sehr grosse Vorteile für Realtime-MSR-Systeme. Sehr viele Timing-Probleme, mit denen sich Entwickler von  Mikrokontroller- und DSP Software herumschlagen, sind bei FPGAs schlicht nicht existent. Daher werden diese zum Beispiel zur Erzeugung von synchronisierten PWM-Signalen seit längerem eingesetzt. Die Logikdichte in den Bauteilen hat in letzter Zeit aber stetig zugenommen, und heute kann bedeutend mehr mit programmierbaren Logikbausteinen gemacht werden als noch vor einigen Jahren. Bedingt durch die steigenden Gate-Zahlen der FPGAs und der dadurch steigenden Möglichkeiten erhöht sich auch der Entwicklungs- und Verifikationsaufwand. Ein sauberes, auf Platzverbrauch und Verifikation hin optimiertes Design ist daher unerlässlich. Glücklicherweise erleichtern System-On-Chip Plattformen die Arbeit und bewirken eine enorme Produktivitätssteigerung. Diese im ASIC-Bereich etablierte Technologie hat sich erst in den letzten Jahren für FPGAs soweit entwickelt, dass kostengünstige Systeme auch in Stückzahlen damit entwickelt werden können.

System-On-Chip Plattformen für MSR

System-On-Chip Plattformen für MSR
Ein durchgehendes Leistungsspektrum von der Hardware bis zum Support ist essentiell

Eine vollständige MSR-FPGA Plattform besteht aus mindestens 5 Teilen:

  1. Signaleingang – Meist Analog-Digitalkonverter
  2. MSR-Kern (Messung und Regelung)
  3. Signalausgang (PWM, DAC)
  4. Benutzer Ein-/Ausgabe (Drehgeber, entprellte Taster, Touchscreen,  LCD)
  5. Kommunikation für die überwachung durch einen Host oder unter verschiedenen Regelungsmodulen (Von I2C über CAN bis zu Industrial Ethernet

Die Aufgabe eines Plattform-Providers ist es, zu allen diesen Funktionsblöcken passende IP (vorgefertigte und verifizierte Funktionsblöcke) zur Verfügung zu stellen, die dann je nach Applikation zu einem passenden Gesamtsystem zusammengesetzt werden können. Da die Vorverarbeitung und Charakterisierung der Eingangssignale für den Regler (wie zum Beispiel die Bestimmung von Frequenzen, Temperaturen, RMS-Werten, Jitter, Maximum/Minimum ) durch platzoptimierte FPGA-Logik parallel und in Echtzeit erledigt wird und die Daten über den On-Chip Bus abrufbar sind, kann für den Regler-Kern selber je nach Anwendung ein günstiger, externer oder auf dem FPGA integrierter Mikroprozessor benutzt werden. Eine Alternative ist das Design eines Reglers ohne Software auf dem FPGA mit Zuhilfenahme von existierender Signalverarbeitungs-IP (FFT, CORDIC, CIC usw.). Die FPGA-Hersteller sowie „Third Party Providers“ bieten mittlerweile eine Anzahl sauber entwickelter und voll verifizierter Funktionsblöcke an, die an einfach On-Chip Bussysteme angebunden werden können (ARM AMBA, Wishbone, Avalon usw.). Dieser IP-basierte Ansatz wird auch durch die Design-Software sauber unterstützt.

Bedingt durch die vielen Möglichkeiten, die sich dem Entwickler bei diesen Systemen bieten, muss eine kostenoptimierte anwendungsspezifische Plattform nicht nur FPGA Funktionsblöcke enthalten, sondern auch Software-Unterstützung, Design Services und Referenzdesigns.

Mit einer umfassenden Plattform ist es möglich, sehr rasch einen Prototypen des Systems für die Softwareentwicklung und die Verifikation der System-Funktionalität aufzubauen, so dass die Entwicklungszeit für den Kunden minimiert wird. Solche FPGA-Design Projekte können bei richtiger Durchführung auch mit einer agilen Softwareentwicklung synchronisiert werden.

Informationen:
Parametric Engineering GmbH
Längmättli 2
3662 Seftigen
info@parametric.ch
www.parametric.ch


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