Microchip FPGA如何使用HLS C++提高電機控制應(yīng)用的生產(chǎn)率

高級電機控制應(yīng)用簡介

當(dāng)今的電機控制應(yīng)用需要具有有限結(jié)果的多軸、多功能解決方案?？紤]大型自動化工業(yè)制造單元中的機器人（循環(huán)執(zhí)行任務(wù)）甚至是機器人輔助醫(yī)療手術(shù) - 這些機器人需要具有確定性輸出的所有方向的精確控制。同樣，高端工業(yè)無人機需要穩(wěn)定的陀螺儀和更高的機械可靠性，以及DSP的高速計算能力。在更關(guān)鍵的情況下，例如心室輔助裝置等醫(yī)療植入物（以幫助心臟泵血更好），除了精度和確定性之外，魯棒性和可靠性也是必不可少的，因為不能容忍故障。電動機還執(zhí)行關(guān)鍵功能，例如航天器中的姿態(tài)控制，部署機構(gòu)，運動和節(jié)氣門控制。機翼致動器在較低速度下保持飛機的燃油效率，通常在起飛后或準(zhǔn)備著陸時。這些應(yīng)用需要在高真空、輻射和各種操作環(huán)境下實現(xiàn)長使用壽命、高可靠性和安全性。

始終需要降低系統(tǒng)成本 - 擁有將數(shù)字外設(shè)與處理器內(nèi)核集成的單個網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議硬件。

FPGA 在電機控制設(shè)計中的優(yōu)勢

與ASIC相比，F(xiàn)PGA具有許多優(yōu)勢，最明顯的是確定性、具有現(xiàn)場可重新配置性的并行計算。它們可以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，支持多個系統(tǒng)實現(xiàn)和修訂。

我們的FPGA的獨特之處在于它們由基于閃存的非易失性存儲器制成。這種即時啟動技術(shù)使其功耗比競爭FPGA低30%至50%。它們提供抗輻射性和獨特的安全功能，例如防止過度構(gòu)建和克隆、設(shè)計 IP 保護、信任根、安全數(shù)據(jù)通信和防篡改功能。具體而言，在電機控制環(huán)境中，我們的FPGA通過提供低功耗、低抖動、低延遲、高精度、確定性和可擴展性，在解決現(xiàn)代電機控制應(yīng)用面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用。

智能HLS提高生產(chǎn)力

使用 Verilog/VHDL 從頭開始為 FPGA 設(shè)計新的基于硬件的電機控制器可能非常耗時。通常，工程師已經(jīng)有一個用 C/C++ 設(shè)計的正常工作電機控制器。在這種情況下，理想的解決方案是自動將現(xiàn)有的C++軟件代碼轉(zhuǎn)換為等效的硬件實現(xiàn)，針對Microchip PolarFire FPGA。智能高級綜合（SmartHLS?）工具和集成開發(fā)環(huán)境使這變得容易，它可以將C++軟件編譯成針對Microchip FPGA的硬件塊。高級綜合允許您將C++作為輸入并生成 Verilog 作為輸出。通常，您將 HLS 將生成的頂級C++函數(shù)標(biāo)記為等效的硬件 IP 核。您可以在頂級C++函數(shù)中描述您的算法。然后，使用 HLS 編譯指示和 HLS 庫C++描述標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，如 AXI、AXI 流或內(nèi)存接口。HLS 的一個引人注目的好處是，它為您提供了比 RTL 設(shè)計C++的顯著抽象級別，并提高了硬件設(shè)計和驗證時間的生產(chǎn)力。使用 HLS 進行架構(gòu)探索，因為該工具可以輕松添加或刪除流水線寄存器，以實現(xiàn)用戶指定的目標(biāo)頻率。

我們曾有一位客戶使用 SmartHLS 將他們具有嚴(yán)格限制的高級電機控制設(shè)計遷移到我們的 FPGA。他們的主要目標(biāo)是實現(xiàn)小于 3 us 的確定性延遲。此延遲是接收八個電機的編碼器傳感器和FPGA電機控制內(nèi)核更新所有電機的電流輸出之間的反饋時間。由于 DDR 和 PCIe 等外部 I/O 要求，客戶還希望該設(shè)計以高于 200MHz 的時鐘頻率運行。他們還希望將設(shè)計安裝在具有空閑空間的 PolarFire MPF500 設(shè)備上。

他們報告了他們的結(jié)果質(zhì)量，并能夠超越他們的設(shè)計目標(biāo)。他們觀察到周期延遲減少了50%，同時頻率提高了以滿足200 MHz的目標(biāo)時鐘頻率。電機控制器的最終確定性延遲也減半至約2 μs。電機控制器的面積也縮小到適合300K LE PolarFire FPGA內(nèi)部。

將原始C++電機控制器與改進的FPGA版本進行比較的實驗表明，與Arm微控制器相比，基于FPGA的電機控制器在延遲方面具有2.5-6倍的加速，具體取決于微控制器和實時操作系統(tǒng)的抖動。

審核編輯：郭婷