三大電機控制方案之FPGA篇：Actel Fusion

　　當前電機控制的發(fā)展越來越趨于多樣化、復雜化，現(xiàn)場也提出越來越苛刻的性能要求。因此客戶有可能考慮自己開發(fā)專用的控制芯片，FPGA的可編程性正是可以滿足這種需求。上期講解了三大電機控制方案之MCU篇，這期來看看FPGA。

　　對于電機控制提出的不同要求，FPGA芯片固有的可編程性和并行處理的特點十分適合于中高端的電機控制應用。由于它以純硬件的方式進行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統(tǒng)達到很高的性能。

　　在電機控制的市場上，眾多專注于FPGA技術的廠商接連推出了各具特色的解決方案，本系列將會為大家介紹這些廠商以及它們在電機控制領域的代表產品。首先，是身為FPGA三大巨頭之一的Actel 公司。

　　Actel Fusion系列器件

　　Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內核、A/D轉換器、Flash存儲器、模擬的I /0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks/s采樣率的A/D轉換器，片內100 MHz的RC振蕩器與PLL(鎖相環(huán))一起共同為FPGA提供時鐘，以節(jié)省外部時鐘的開銷。這些特點極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡化了系統(tǒng)設計，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當Fusion系列FPGA器件結合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時，還可以實現(xiàn)真正的 SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列器件的眾多特點，使其在電機控制的領域得到了廣泛的應用，由它延伸出來的Smartfusion 數(shù)模混合芯片，十分適合高復雜度電機控制的應用。

　　產品一覽

　　Actel Fusion的特點

　　單芯片

　　以 Flash 為基礎的 FPGA 將配置信息儲存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會成為 FPGA 結構的固有部分，在系統(tǒng)上電時并無需載入外部配置數(shù)據(jù)。以 Flash 為基礎的 Fusion 融合 FPGA 無需額外的系統(tǒng)元件，如傳統(tǒng) SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性內存 (EEPROM) 或以 Flash 為基礎的微控制器，它們都是用來在每次上電時對傳統(tǒng) SRAM FPGA 加載程序的。增加的融合功能可在電路板上省去多個附加元件，如 Flash 內存、分立模擬 IC 、時鐘源、EEPROM ，以及實時時鐘等，從而減低系統(tǒng)成本和電路板空間需求。

　　低功率

　　Fusion 器件具有類似于 ASIC 的功率特性，因而適用于電池供電產品和其它對功耗敏感的應用。使用Fusion 器件時，并不會出現(xiàn)加電浪涌電流和大電流轉換，而這是許多 SRAM FPGA 器件所面對的問題。Fusion 器件還具有低靜態(tài)和動態(tài)功耗，能實現(xiàn)最多的功率節(jié)省。這些器件支持睡眠和待機模式運作，可大幅降低功耗。Fusion 器件的另一個獨特性能是在非活動期間于正常時鐘速度和低時鐘運作速度之間進行動態(tài)轉換，并在需要時轉為全速運作。

　　上電即行

　　以 Flash 為基礎的Fusion 器件具有上電即行 (LAPU) 特性，一旦施加正常運作規(guī)格內的系統(tǒng)功率，F(xiàn)usion 器件即可工作。這種上電即行特性能夠大幅簡化整體系統(tǒng)設計，并往往可以省去系統(tǒng)中復雜的可編程邏輯器件 (CPLD) 。

　　安全性

　　Fusion 器件包含了 Microsemi FlashLock? 功能，提供可重編程性和設計安全性的獨特組合，且無外部元件費用。這些優(yōu)點只有通過帶非揮發(fā)性 Flash 內存的 FPGA 才能實現(xiàn)。Fusion 器件具有基于 Flash 的 128 位安全保護機制和業(yè)界領先的片上 AES 解碼內核，用于保護經編程的 IP 和配置數(shù)據(jù)。 128 位 AES 是政府機構認可速度更快、安全性更高的加密算法，可以替代 DES 。目前，F(xiàn)usion 器件具有最完備的可編程邏輯安全解決方案。以 AES 加密技術為基礎的Fusion 器件可讓設計人員安全地完成系統(tǒng)設計和 Flash 內容的遠程更新 (通過公共網(wǎng)絡如互聯(lián)網(wǎng)等)，確保具價值的 IP 不會遭受系統(tǒng)過建、復制和 IP 盜竊等問題所侵害。雖然編寫在Fusion 器件中的 FPGA 設計不能讀回，但可對其進行安全的設計驗證操作。Fusion 器件采用了許多器件設計和布局工藝技術，使到入侵攻擊難以得逞。例如，F(xiàn)usion 器件的 Flash 單元都位于 7 層金屬層之下，因而極難實現(xiàn)反向工程。

　　固件錯誤

　　固件錯誤是高層大氣中產生的高能中子撞擊 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲單元所導致的錯誤。撞擊產生的能量會改變 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲單元的狀態(tài)，從而改變其邏輯、路由或 I/O ，而這種改變是無法預測和控制的。這類錯誤在 SRAM FPGA 中不可能避免，因而導致其時間延續(xù)故障 (FIT) 率值達數(shù)千。這類錯誤可能導致整個系統(tǒng)失效，引起重大的技術支持和產品可靠性問題。融合 FPGA 的配置元素 (即 Flash 存儲單元) 便不會被高能中子改變，因此具有中子引發(fā)的固件錯誤免疫力。

　　融合技術及其優(yōu)勢

　　單芯片提供所有功能

　　直至融合技術問世前，系統(tǒng)設計人員被迫采用成本高、占位空間多的分立模擬組件和可編程邏輯或混合信號 ASIC 方案來執(zhí)行一般的系統(tǒng)。固定的架構及其它技術障礙都阻止各個組件集成到一個低成本的單芯片中，以滿足所有設計需求。

　　外部高電壓接口

　　Fusion 器件具有真正的外部高電壓接口;擁有多達 30 個耐高壓模擬輸入，可與 -12V 到 +12V 的信號直接連接，因此無需信號預調節(jié)電路。基于融合技術的模數(shù)轉換器 ADC 可以配置，并支持高達 12 位的信號采樣率，采樣速度達 600 ksps 。Fusion 器件還具備額外的功能，包括多個差分輸入電流監(jiān)控功能塊，每個均內置放大器，能增加靈敏度和效率。Fusion 器件還集成了溫度監(jiān)控電路，只需外接二極管便可遠程監(jiān)控多項溫度。Fusion 器件具有多達 10 個大電流驅動輸出，最適用于 MOSFET 控制和/或脈沖寬度調制 (PWM) 功能，如直接風扇控制。