32
Э
лек
тр
оприв
о
ды
www.elcomdesign.ru
В статье рассматриваются преимущества однокристального решения
на базе новой технологии SmartFusion компании Actel, которое предна-
значено для использования в промышленном оборудовании.
программируемые иС Смешанного
Сигнала для управления
приводом
Майк Брогли (Mike Brogley), менеджер отдела маркетинга, Actel
параметры семейства SmartFusion
компании Actel полностью отвечают
потребностям многих коллективов
разработчиков, которые стремят
ся улучшить характеристики систем
управления приводом в приложе
ниях промышленной электроники.
разработчикам встраиваемых систем
редко удается найти однокристальное
решение этой задачи. так, у выбранного
ими микроконтроллера может не ока
заться необходимого интерфейса или
потребуется добавить заказную логи
ку для наращивания его функциональ
ности.
кроме того, интерфейсам, на входы
которые поступают сигналы с датчиков,
а с выходов подаются сигналы управ
ления на исполнительные механизмы,
может понадобиться аналоговая цепь
для преобразования сигнала и управ
ления питанием.
для таких приложений компа
ния Actel выпустила высокопроиз
водительный компонент семейства
SmartFusion — однокристальное уст
ройство со встроенным ядром мик
ро контроллера ARM CortexM3, плиС
на базе технологии программируемой
логики pASIC3 и конфигурируемыми
аналоговыми функциями с высоким
быстродействием.
ядро CortexM3 представляет собой
100мгц (125 DMIPS) устройство с флэш
памятью до 512 кбайт и 128кбайт
SRAM. Это аппаратное ядро, реализо
ванное на кристалле для эффективного
ис пользования его площади.
Большая Мощность
рассматриваемое устройство обла
дает достаточно большой вычисли
тельной мощностью для работы со
сложными алгоритмами. например,
оно легко осуществляет прецизионное
управление приводом или даже мно
гоосное управление несколькими дви
гателями и имеет набор периферий
ных устройств, включая 10/100 Ethernet
MAC и другие интерфейсы, в т.ч. SPI, I2C,
UART и RS485.
Цифровые порты вводавывода
работают на частотах вплоть до
350 мгц, поддерживают уровни ввода
вывода таких интерфейсных стандар
тов как LVDS, PCI и PCIExpress при токе
до 24 ма.
аналогоцифровые линии ввода
вывода работают на частоте до 180 мгц
и токе до 6 ма. количество вентилей
плиС достигает 500 тыс., объем памя
ти SRAM — 108 кбайт, тактовая часто
та — до 350 мгц. плиС SmartFusion,
выполненная по флэштехнологии,
обеспечивает готовность к рабо
те непосредственно по включению
питания. отсутствие дополнительных
конфигурационных устройств у плиС
этого семейства устраняет возмож
ность несанкционированного копи
рования дизайна, повышает защиту
интеллектуальной собственности за
счет блокирования доступа к памяти
конфигурации после программиро
вания.
Семейство SmartFusion поддержи
вает до трех 12разрядных аЦп после
довательного приближения, рабо
тающих с частотой дискретизации до
500 квыб./с. у каждого аЦп имеется
соответствующий 1бит сигмадельта
Цап с 5с обновлением и 12бит разре
шением. такие аналоговые функции как
датчики высокого напряжения и тока,
датчики температуры и быстродейству
ющие (50нс) компараторы сгруппиро
ваны в блоках преобразования сигнала
(Signal Conditioning Blocks).
Эти блоки могут масштабировать
биполярный сигнал. ширина полосы
частот входного сигнала у активных
предварительных делителей бипо
лярного сигнала составляет 1 мгц при
входном импедансе 1 мом. С работой
аналоговых блоков тесно связан ана
логовый вычислительный блок ACE
(Analog Compute Engine). Это совер
шенно новый полуавтономный блок,
выполняющий масштабную предвари
тельную и последующую обработку
аналоговых данных, в т.ч. дискретиза
цию и установление последовательно
сти выборки сигнала без помощи ARM
процессора.
однокристальная систеМа
управления приводоМ
Семейство SmartFusion в полной
мере отвечает потребности разработ
чиков улучшить характеристики систем
промышленной электроники. Эта
потребность продиктована различны
ми соображениями, и наиболее суще
ственным из них является необходи
мость повысить энергоэффективность
решений. постепенно растет понима
ние того, что более сложные схемы
управления приводом позволяют в
значительной мере усовершенствовать
характеристики системы, а также ее
энергоэффективность при лучших мас
согабаритных параметрах.
для менее требовательных прило
жений вполне пригодны простые режи
мы управления, а в случае со сложными
системами необходимы усовершен
ствованные алгоритмы. например, для
бесщеточного двигателя постоянного
тока следует обеспечить высокую сте
пень точности управления.
очень часто эти системы являют
ся многоосными, т.е. требуют одно
временного управления несколькими
двигателями, например, для переме
щения руки робота в пространстве.
Семейство SmartFusion позволяет в
реальном времени установить такое
управление с помощью решения на
одном кристалле.
оптиМизация вреМенной
оБласти
на рисунке 1 представлены основ
ные функциональные блоки системы
управления движения с высокой точ
ностью.
на этой схеме показана шкала вре
мени, характеризующего выполнение
каждой функции. в систему поступа
ет команда, после чего формируют
ся сигналы управления двигателем
по изменению положения или ско
рости. Система должна среагировать
34
Э
лек
тр
оприв
о
ды
www.elcomdesign.ru
на входящий сигнал за минимальное
время и продолжить отслеживание
всех последующих командных вход
ных сигналов.
изображенная на рисунке 1 систе
ма управления принимает команды и
сообщает об их исполнении через сете
вой интерфейс или считывает настрой
ки управляющих сигналов и выводит
их на дисплей. на этом уровне вполне
приемлемо значение времени откли
ка порядка нескольких миллисекунд.
время реагирования соответствующих
внутренних контуров регулирова
ния убывает на шкале рисунка 1слева
направо.
например, время реакции конту
ра управления скоростью составля
ет порядка сотен мкс, т.е. его частота
обновления — несколько кгц. ядро
микроконтроллера, работающего на
частоте 100 мгц, может выполнять
вычислительные операции для несколь
ких таких контуров, а также управлять
функциями верхнего уровня, скажем,
интерфейсами шины.
Более критичные ко вреМени
алгоритМы
Фиолетовым цветом на рисунке 1
выделено несколько более критичных
ко времени алгоритмов, составляющих
основу высокопроизводительных схем
управления: например, к ним относят
ся регулирование крутящего момен
та и расчет магнитного потока внутри
привода. алгоритмы рассчитывают
величины, которые нельзя измерить
непосредственно (или, как в случае
с крутящим моментом, эти значения
редко измеряются напрямую).
обеспечить указанный на рисун
ке 1 расчет времени довольнотаки
непросто, и потому разработчики, как
правило, используют высокопроизво
дительные DSP или внутреннюю логи
ку плиС. в программнореализуемой
среде это область кодирования в жест
ком реальном времени, где у внутрен
них контуров регулирования имеется
высший приоритет над всеми другими
задачами. вентильная структура плиС,
поддерживающая тактовые частоты
порядка нескольких сотен мгц, явля
ется, однако, естественной средой для
аппаратного ускорения усовершен
ствованных алгоритмов управления. на
выход системы управления, показанной
на рисунке 1, поступают аналоговые
сигналы — входные сигналы датчиков
и выходные сигналы на силовые пере
ключатели.
Рис. 1. Основные функциональные блоки системы прецизионного управления приводом
Рис. 2. Блок-схема управления приводом
Благодаря ресурсам каждого типа —
мк, плиС и аналоговому блоку — на
едином кристалле реализуется реше
ние, оптимизированное во временной
области, а каждая функция контроллера
привода выполняется в наиболее под
ходящей среде. ядро ARMпроцессора
осуществляет функции интерфейса,
выдает сообщения и выполняет управ
ление системой; критичные ко времени
логические функции могут кодировать
ся в плиС; наконец, в широкополос
ной аналоговой цепи происходит пре
образование сигнала данных датчика
в реальном времени путем аналого
цифрового преобразования. таким
образом, отпадает необходимость из
экономических или какихто иных сооб
ражений назначить тому или иному
блоку кристалла не вполне подходя
щие для него функции.
сопряжение Блоков
однокристальное устройство обе
спечивает существенную экономию
стоимости материалов и компонентов,
из которых изготавливаются изделия
для стандартных систем управле
ния приводом. Современная плата по
управлению приводом может содер
жать, например, микроконтроллер
(или DSP), а также автономную плиС
и большой массив аналоговых микро
схем с соответствующими пассивными
компонентами. однако помимо мень
шей стоимости и занимаемой на плате
площади у однокристального решения
имеется еще и неявное преимущество.
в каждой технологической дисци
плине существует свой круг специали
стов, к которым относятся програм
мисты, разработчики RTLбиблиотек и
специалисты по линейным цепям. если
каждый блок оборудования разраба
тывается как отдельный объект, интер
фейсы между ними могут оказаться
недостаточно правильно организован
ными и подвергаться частым доработ
кам. Этими недостатками не страдает
однокристальная система SmartFusion,
поскольку каждый из указанных специ
алистов имеет возможность работать в
единой среде, для которой существуют
полный набор средств разработки. так
например, система SmartFusion обе
спечивает эффективную связь между
аналоговыми компонентами с порта
ми вводавывода или между матрицей
плиС и шинами мк, что сокращает
количество итераций проектирования
и время выхода продукта на рынок.
Литература
1. Mike Brogley. Mixed-signal pro gram-
mable ICs enable 1-chip motion control//
w w w . e e t i m e s . c o m /d e s i g n / p r o g r a m -
mable-logic/4199401/Mixed-signal-pro-
gram mable- ICs- enable-1- chip -motion-
control?pageNumber=0.
