fpga的优势
FPGA设计工具越来越多，允许嵌入式控制系统设计人员更快速地创建和适应FPGA硬件。
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现场可编程门阵列(FPGA)包含可重构门阵列逻辑电路矩阵，当配置时，以创建软件应用程序的硬件实现的方式连接。越来越复杂的工具使嵌入式控制系统设计人员能够更快速地创建和更容易地适应基于fpga的应用程序。
与处理器不同，fpga使用专用硬件来处理逻辑，并且没有操作系统。由于处理路径是并行的，不同的操作不必争夺相同的处理资源。这意味着速度可以非常快，多个控制循环可以在单个FPGA设备上以不同的速率运行。
此外，fpga的可重构性可以为设计人员提供几乎无限的灵活性。美国国家仪器公司运动控制和机电一体化产品经理Christian Fritz表示:“与具有固定硬件资源的硬连线印刷电路板(PCB)设计不同，基于fpga的系统可以在控制系统部署到现场后重新布线其内部电路，以实现配置。”
在制造和自动化领域，fpga非常适合用于机器人和机床应用，以及风扇、泵、压缩机和输送机控制。fpga通常用于重新配置I/O模块功能。“例如，数字输入模块可用于简单地读取每条数字线的真/假状态。另外，相同的FPGA可以重新配置，以对数字信号进行处理并测量脉冲宽度，执行数字滤波，甚至从正交编码器传感器测量位置和速度，”Fritz说。
据Atlantix工程公司(一家专门从事FPGA设计咨询的公司)的James Bonanno说，“工程师可以定制FPGA设计以适应控制算法，而不是让控制算法适应处理器的能力。实际上，在DSP[数字信号处理器]或微处理器设计中，不存在由于中断或事件排序器而导致的瓶颈。因此，FPGA器件对于实现现代、复杂的数字控制器设计非常有吸引力。”
Bonanno解释说，大多数实时控制系统，特别是那些用于电力电子和交流电机驱动应用的实时控制系统，需要快速处理。“例如，一个以10e执行的控制循环，重要的是，外围设备可以根据算法进行定制。”对于高速A/D接口、解析器和编码器来说尤其如此，他补充道。
Fritz对此表示赞同，他认为fpga是高端控制应用的天然选择。“像矢量控制算法这样的高级控制概念必须以10到100千赫的速率不断重新计算。与控制算法并行，需要在不影响控制算法定时的情况下执行高速PWM(脉宽调制)输出等额外的IP(知识产权)块。”“FPGA是这种应用的完美解决方案，因为它能够执行循环速率高达数百千赫兹的控制算法。”
提供FPGA硬件的主要厂商有三家，分别是xilinx公司、Altera公司和Lattice Semiconductor公司，还有许多其他厂商也提供FPGA硬件。FPGA技术的使用已经得到越来越多可用的设计工具和模块的支持，其中许多是特定于应用程序的。例如，Xilinx的目标设计平台汇集了设计基于fpga的工业成像系统所需的关键元素。这样的工具允许设计团队花更少的时间开发应用程序的基础设施，而花更多的时间在最终应用程序中构建不同的特性。
Bonanno说:“今天，许多不同类型的工具之间都有联系，可以帮助工程师进行算法密集型FPGA设计。实际上，fpga在高性能、数字控制应用中没有任何障碍。
Atlantix开发了HyperKinetix引擎和Motor:FPGA和Power:FPGA设计平台，以利用FPGA技术，促进基于硬件的数字控制器的采用。Atlantix产品开发项目包括各种伺服驱动设计，功率因数校正和多通道信号处理工业仪器。
Opal Kelly的FPGA集成模块是一种工具，可以减轻设计工程师的时间、费用和可靠性问题，为基于FPGA的应用程序发明自己的PC互连。
Opal Kelly总裁Jake Janovetz表示:“我们意识到工程师们目前面临的问题，我们正在提供解决方案，以填补高效互连功能的时间和专业知识空白。”“这使得开发团队可以专注于核心竞争力，从而减少整体设计时间和费用。”
Opal Kelly FPGA USB 2.0模块包括该公司的FrontPanel SDK，该工具通过提供三个开发组件来加速基于FPGA的USB设备的开发:FrontPanel软件API，帮助客户构建应用程序;通过USB与设备通信的驱动程序;以及预先构建的HDL模块，与客户的HDL集成，使与主机PC的通信变得容易。这些工具已被用于创建内部测试设备、政府和军事应用以及原型产品。
“Opal Kelly FPGA集成模块解决了设计基于FPGA的系统的问题，在PC环境中自定义硬件/HDL和软件之间进行通信和传输数据，”Janovetz说。“如果没有我们的模块，工程师将需要设计、实现和测试端到端系统，包括:PC软件和操作系统驱动程序，USB微控制器的固件，以及USB和FPGA之间的通信。我们的模块从他们的设计负担中消除了这一组件，使他们能够专注于特定的工程问题。”
NI LabView FPGA模块使用LabView语言为FPGA提供图形化开发。它的目标是NI的可重构I/O(里约热内卢)商用现货(COTS)硬件。“LabView非常适合FPGA编程，因为它清楚地代表了并行性和数据流，”Fritz说。此外，“LabView FPGA的数百个示例和附加功能，如面向现场的控制算法，可以通过NI知识产权网络(IPNet)免费下载，这是LabView FPGA的一个搜索、下载和交换IP算法的配套网站。
Janovetz表示，Opal Kelly的工具是“fpga无关的”，但“我们的模块是用Xilinx fpga设计的，因为Xilinx的市场占有率更强。我们的客户需要熟悉FPGA来实现他们的设计，所以我们的产品跟随市场趋势是有意义的。”
Janovetz表示，Xilinx、Altera和Lattice之间的差距正在缩小，每一代新硬件和工具都为客户提供了新的价值。然而，这意味着fpga的复杂性也随着每一代新硬件的出现而增加。
去年秋天，Xilinx和ARM Holdings plc宣布合作，在Xilinx fpga中实现ARM处理器和互连技术。Xilinx获得了ARM Cortex处理器IP的授权，并为未来的可编程平台使用了性能优化的ARM单元库和嵌入式存储器。此外，两家公司表示，他们将共同定义下一代AMBA片上互连技术，使其可以与FPGA架构一起使用。ARM控股提供了许多专门针对fpga优化的处理器，这些处理器来自包括Altera、Xilinx在内的主要供应商。和Actel公司。
MIPS体系结构选项
同样在去年秋天，Altera Corp.宣布已从ARM Holdings的竞争对手MIPS Technologies Inc.获得MIPS32架构的授权。该交易标志着MIPS架构进入FPGA领域，并允许Altera为FPGA客户提供更多的选择，目标是网络、通信和多媒体应用。
Janovetz说:“这种复杂性和价值对设计资源提出了额外的要求。这意味着，对于低到中等规模的项目，现成的FPGA开发模块可以节省大量时间，并大大缩短上市时间。他说:“模块还可以为项目带来fpga的巨大灵活性，否则由于紧凑的时间表、单薄的设计资源或缺乏经验而无法利用它们。”
作为一个现成的FPGA模块可以节省时间的例子，请考虑来自Jova Solutions的这个例子，Jova Solutions是图像传感器测试设备的开发人员，也是Opal Kelly的客户。Jova Solutions公司首席执行官马丁·维西(Martin Vasey)表示，要实现XEM集成模块的功能，“我们将花费近一年的工程时间，外加3万美元的自付费用。前提是我们能找到一个在这方面有专业知识的工程师。我估计，Opal Kelly模块为我们节省了超过10万美元，并将我们的商业产品推向市场的时间缩短了12个月。”
| 作者信息 |
| 蕾妮·罗宾斯是控制工程．与她联络:controleng@cfemedia.com． |
博客，视频系列教授FPGA技术
Xilinx是现场可编程门阵列(fpga)的主要开发商之一经济日报杂志创建“FPGA大师”，这是一个为FPGA设计工程师提供应用程序、新闻和其他资源的在线资源。分析师Loring Wirbel从应用程序的角度介绍了可编程逻辑，介绍了有助于提高FPGA复杂性、性能和密度的垂直应用程序。他的博客还包括FPGA供应商和第三方工具开发人员的产品和企业趋势的新闻，以及聚焦新设计的视频。www.edn.com/fpgagurus
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