工业控制系统的FPGA设计方法——综述外文翻译资料
2022-09-05 16:44:12
工业控制系统的FPGA设计方法——综述
摘要——本文重点论述现场可编程门阵列（FPGA）的艺术状态与工业控制系统应用设计方法。本文首先概述FPGA技术的发展，接着介绍了设计方法、开发工具和相关的CAD环境，包括便携式硬件描述语言和系统的使用阀杆级编程/设计工具。他们使一个整体的功能方法有着的主要优点是为完整的工业电子产品系统建立一个独特的建模与评估环境。然后提出，三个主要的设计规则。这些算法重新细化、模块化，并对控制性能和结构约束之间的最佳折衷方案进行系统探究。
其次是一个关于FPGA这个现代工业系统为基础的智能控制器的简短调查，同时给出了FPGA的贡献和限制的概述。最后，用完整和及时的案例研究来说明当使用所提出的系统建模和设计方法时FPGA的优点。这些包括感应电动机驱动器的直接转矩控制和借助模糊逻辑的柴油驱动同步发电机的控制。
指数条款的设计方法，现场可编程门阵列（FPGA），工业控制系统，可编程片上系统（SOC），结构（超高速集成电路硬件描述语言（VHDL））。
一、引言
超大规模集成电路（VLSI）技术和电子设计自动化（EDA）技术在最近几年的快速发展为工业电子系统的复杂和紧凑型高性能控制器的开发创造了一个发展的契机[1]。如今，设计工程师是利用现代EDA工具来创建、模拟和验证设计，而不需要硬件，可以快速评估复杂的系统，思路上对最终产品的“第一次”的正确操作具有很高的自信。新组件的速度性能和所有可编程解决方案的灵活性，给了现在工业控制系统的数字实现领域许多机会。这是一种特别真实的软件解决方案，如微处理器或数字信号处理器（DSP）[3]。然而，特定的硬件技术如现场可编程门阵列（FPGA）也可以被视为一个适当的解决方案，以提高控制器的性能。
事实上，这些通用组件将低成本发展（由于其可编程性）、使用方便的软件工具，和越来越大的集成密度结合在一起[4]-[8]。FPGA的技术现在被认为是越来越多的设计师在不同领域的应用，如有线和无线电信[9]还有图像与信号处理[10],[11]，在总是要求更高的数据吞吐量，利用不断增加的芯片密度的地方。还有，最近其他的应用领域的需求在不断增长，如医疗设备[12]，机器人[13]，[15]，汽车[16]，以及航空和飞机的嵌入式控制系统[17]。这些嵌入式应用的功耗[18]还原、热管理和流程[19]，可靠性[20]，对太阳辐射的保护[21]是最重要的。最后一点，通过本文简要介绍的案例研究特别有针对性。事实上，FPGA已经被用在许多不同的电气系统如功率变换器控制（脉宽调制（PWM）逆变器[ 23 ]、[ 24 ]、功率因数校正[ 25 ]，多电平变换器[ 26 ]，[ 27 ]，矩阵变换器[ 28 ]、[ 29 ]、软开关[ 30 ]、[ 31 ]、[ 32 ]和静止同步补偿器）和电机控制（感应电机控制[ 33 ]–[ 39 ]，交换开关磁阻电机（SRM）驱动器[ 40 ]，运动控制[ 41 ]，[ 42 ]，多机电力系统系统[ 43 ]，神经网络（NN）控制的感应电动机[ 44 ]，模糊逻辑控制的发电机[ 45 ]，速度测量[ 46 ]）。这是因为基于FPGA的控制器可以有效地回答当前和未来该领域的挑战。其中，我们可以引述以下：
1）降低成本的方法有三种。只使用一个架构基于算法实现的特定需求,高度发达和具体方法的应用改进实现时间,也称为“上市时间”,和超大规模集成电路系统设计中预期的发展,允许集成一个完整的控制系统以其模拟接口在一个芯片上,也称为系统级芯片。2）保密，一个特定的体系结构，集成的技术公司是不容易复制的是具有保密性的。3）嵌入式系统与很多限制在飞机应用程序中,如有限的电力消耗,热考虑,可靠性和某一件事打断保护4）改善控制性能。例如,通过设计专用的并行体系结构执行时间可以显著减少,使得FPGA控制器达到的性能水平模拟同行没有他们的缺点(参数漂移,缺乏灵活性）此外,一个FPGA控制器可以应用在运行时需要的车间通过动态重新配置它。这些观点将V节中进一步讨论。
本文旨在概述如何使用FPGA在工业控制系统中。通用FPGA架构和计算机辅助设计(CAD)环境描述他们。首先对使用便携式硬件描述语言(HDL）的好处进行了讨论;然后,解释整体的方法。它扩展了传统的使用高标准的编程语言和HDL[2],以包含工业电子系统的整体建模。为了设计一个环境,允许系统的所有功能方面需要考虑的同时,增加了决定论的系统,在FPGA硬件开发平台减少响应时间,最大化使用性能以达到效率高、电能质量,同时允许数字控制器的快速原型。主要设计规则,包括控制算法改进、应用程序重用的方法,它允许利用设计的努力,和优化的模块在性能方面的帮助下算法架构“相平衡”。然后作者分析了在目前的工业环境中,使用FPGA的贡献和限制电力系统控制器。一个简短的关于智能FPGA控制器调查报告被提出来了。最后,讨论了两个案例研究来说明当使用该设计方法时FPGA实现的好处:1)感应电动机直接转矩控制(DTC)系统和2)模糊逻辑数字控制器柴油驱动独立的发电机。
二、FPGA的描述和他们的开发工具
A.FPGA的通用体系结构描述
FPGA属于广泛的可编程逻辑组件。FPGA是定义为一个矩阵的可配置逻辑块(CLBs)(组合和/或顺序),互相联系的一个完全可编程互连网络。记忆细胞控制逻辑块以及连接的组件可以实现所需的应用程序规范。存在几种可配置技术，其中,只有那些可重复编程的(Flash、EPROM存储器)感兴趣的,因为他们允许同样的灵活性的微处理器。因此,本文的其余部分将讨论只有SRAM-based FPGA如图1。
图1 FPGA的通用体系结构。
FPGA的通用体系结构。技术[6],[7],这是迄今为止最广泛的[47]。然而,基于flash的技术虽然不允许相同数量的重新配置周期一个数量级,这是对于某些严格的利基应用程序空间和航空等行业是非常有兴趣的。的确,Flash技术力量时保留了FPGA的配置,因此,芯片是准备尽快启动操作。在图1提出了SRAM-based FPGA的通用体系结构。最新的FPGA是使用65纳米镀铜过程生产的。他们的密度可以达到超过1000万每一个门限，每个芯片与系统时钟频率500 MHz以上。然而,重要的是要注意,随着技术的继续前进这种信息只是准确一会儿。主要的FPGA生产商总共有两个，一个是阿尔特拉，另一个是赛灵思公司。
FPGA的通用架构CLBs组成一个矩阵,行和列的数量已经达到,最大的设备,192times;116。这个矩阵核心接壤的环可配置的输入/输出模块(组件)的数量可以达到1000用户组件。最后,所有这些资源通过可编程互连网络完成他们之间的沟通。
最近,它也被观察到在这些架构等专用块RAM的引入,DSP加速器(硬乘数与相应的蓄电池,高速时钟管理电路和串行收发器)、嵌入式硬盘处理器核心PowerPC或手臂等[6],[8]和软处理器核心如尼奥斯[6]或主控制器[7],[70]。控制应用程序的同时,非常有趣的是最近爱特公司数字转换器的融合集成组件从[8]。然而,这种SOC趋势并不取代前通用的体系结构,但它可以被视为一种补充这个原始矩阵。
- 可配置逻辑块（CLB）：其结构包括二，四，或更多的逻辑单元，也叫逻辑元件。一种逻辑单元结构，它可以被看作是基本的晶粒他是FPGA的，图2所示。
它由一四位查找表（LUT），这可以作为一个配置（16times;1）ROM，RAM，或组合功能。一个超前进位数据路径还包括为了建立有效的算术运算符。最后，一个D型触发器触发器，其所有控制输入（同步或异步,置位/复位,使能），允许注册的逻辑单元的输出。这样的建筑对应于一个状态机，由于注册输出可配置为同一逻辑单元的输入。
图2 逻辑单元结构
B. HDL和FPGA
起初，FPGA只用于集成胶合逻辑通常用于TTL基本逻辑电路。应用简单的计算机辅助设计原理图工具。今天，FPGA越来越多地用于实现复杂的功能。例如，这是不寻常的一个FPGA一个完整的数字系统，包括一个算术逻辑单元（ALU），实现记忆、通信单元等。这种演变在VLSI中的进展它的起源，但也正是由于合理的设计工具和方法的发展，最初留给世界的应用在专用集成电路（ASIC）。这些工具大多是基于HDL如高速集成电路（集成电路）的HDL（VHDL）[ 2 ]、[ 49 ]，[ 50 ]。IEEE标准的存在[ 51 ]已推广使用，使高密度脂蛋白在微电子领域，高性能的CAD工具的发展创造。因此，设计者可以利用硬件描述语言建立自己的电路，采用了层次化、模块化的方法，定义在不同的抽象层次的设计，采用“自顶向下的方法”[53，[ 52 ]。相应的设计流程被划分为以下四个步骤：1）系统层，在电路的规格；2）行为层，由电路的算法描述；3）登记传输层（RTL），该电路描述其组成部分；4）物理层，考虑到目标的硬件特性的电路的物理描述。在每一个层次的抽象概念，未来的集成电路中犹如高密度HDL，如VHDL行为或合成的VHDL。这最后的描述给出了一个确切的表示的运营商和变量的最终电路。
为了模拟和验证数字电路的功能，在各种测试平台上编写和执行。此外，由于模拟HDL的出现,例如VHDL-A,和VHDL-AMS[54],还可以模拟在每个抽象层次的功能电路,同时考虑其模拟环境[55]。另一个有前途的方法是在整个开发过程中整体推广使用一个独特的描述语言[56]。这将在下一节中描述的更多细节。图3给出了分层的自顶向下的设计方法和HDL模式的环境。最近,FPGA制造商[6],[7]设计软件包,使模拟和自动翻译成硬件的设计。例如这样Matlab-Simulink内部的软件运行环境。仿真结果是“周期准确。“这意味着结果的仿真软件模拟精确匹配那些由硬件实现。这种方法提供了一个FPGA快速原型平台[57]。应该提到自动代码生成的概念已经被成功地应用于DSP处理器[58]。毫无疑问,这样的解决方案将会在不久的将来越来越多的利用快速评估新的控制算法的性能。然而,到目前为止,这种方法仍然局限于应用程序不需要使用复杂的测序。事实上,控制单元仍难以该工具箱实现[59]。因此,由此产生的硬件架构不能区域优化,事实上是不能接受的工业方法。
图3 自顶向下的设计方法
三．集成系统的建模和设计
传统上,数学模型开发了评估全球工程系统的功能。然而,系统的每个部分的实际发展需要分别解决。这通常涉及到其他CAD工具的使用和/或不同的软件平台,设计本身是在不同的环境中开发的。最近在CAD方法/语言带来了设计和实际硬件实现的功能描述。系统级建模语言(如Handel-C系统c)和HDL(如硬件描述语言(VHDL),Verilog)使基础数学描述和电子设计实现在一个独特的环境,同时解决一系列支持的主要计算机辅助工程平台。这种设计合成工具可以编译成不同的目标的技术。
整体系统级电子系统的设计和开发支持自顶向下的设计方法,它始于建模一个想法在抽象的层面上,并通过进一步细化成所需的迭代步骤的详细系统。测试环境是在设计周期的早期。完成设计的发展,语言能够支持复杂的数字系统的详细描述,以及测试环境将检查符合最初的规范。概念测试之前封锁是由硬件/物理实现。复杂电子系统的整体建模,系统级建模语言提供优势,如以下:
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同时考虑数学方面的工程系统(功能/行为描述)和详细的电子硬件设计,在相同独特的环境下,通常由一系列的CAD平台;2)处理所有的抽象级别的能力,系统可以作为一个整体模型模拟在电子控制器设计的各个阶段,可随后针对SoC硅实施;3)快速实现和投放市场的时间相对较短;4)易于硬件实现人工智能(AI);5)通用的可重用模型生成/设计模块,按照现代的原则设计。仿真结果是有价值的检查模型的行为,但是在许多场合,它是一个控制器的硬件验证,提供重要的信息在决定投资于一个ASIC。最便宜,最快的方式来验证优化的数字控制器的设计是通过一个包含可重复编程的设备如FPGA原型板。这缩短了时间纠正任何设计问题,并确保无误的设计在永久的ASIC实现。原型板也可以用于其他系统组件的硬件测试。现代半实物测试方法也通过这个环境,允许有效的测试电路的设计。这个方法是使用一个模拟器(HILS),使用被测电路的输出作为输入,产生输出信号,需要被测电路作为输入,这些信号与相似的子系统被HILS实时操作,可以找到更多关于HILS[60]-[62]。从Celoxica DK4设计套件,例如,允许Handel-C(高级语言类似于C)电子系统的功能模型。Handel-C产生电子设计交换格式(EDIF)输出当编译硬件的设计目标。Xilinx位置和路由工具用于EDIF格式转化为硬件布局,启用包含FPGA开发板上实现硬件快速发展。编译器也可以生成HDL代码格式如硬件描述语言(VHDL),在SoC设计中允许与其他硬件元素组合。可移植性在不同的系统PLD、FPGA、ASIC不设计修改系统，硬件实现的目标是使用平台抽象层提供应用程序编程接口。因此,Handel-C可以作为建模工具,然后,Xilinx FPGA集成设计环境[6]使实时分析。整体建模的一般利益,与高密度脂蛋白和FPGA的优势相结合,使小说复杂但快速经典模糊/神经/ FPGA控制器,工业应用,建模,
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