赛灵思Zynq器件在工业自动化智能化大潮中大显身手

作者 张国斌
赛灵思公司工业垂直细分市场市场经理林逸芳 一直以来通信都是FPGA应用的重点,现在,随着工业自动化走向智能化,FPGA又找到一个用武之地。尤其是随着赛灵思公司推出28nm Zynq-7000 All Programmable SoC以后,FPGA在工业应用大有加速之势,赛灵思公司工业垂直细分市场市场经理林逸芳(Yvonne Lin)女士就透露近年来赛灵思工业级客户增长非常迅猛,其数量远超通信客户。赛灵思Zynq器件在智能化工业自动化领域大显身手,它将给工业应用带来哪些深刻变革?

工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下,按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。工业自动化涉及机械、微电子、计算机等技术领域,工业自动化需要完成信息的采集、处理、分析、传输和控制等,传统上,工业自动化不需要非常领先的半导体技术产品,但是,随着智能工厂、智能工业自动化的兴起,工业自动化也开始采用最新的技术了。

“我注意到近年来采用FPGA的工业客户越来越多了,虽然他们中的一些人还不知道如何开发FPGA,但是他们也愿意选择我们的FPGA,一个原因是领先的工业客户都在大量采用FPGA。” 林逸芳指出。“另一个原因就是工业领域的灵活性需求较大。”

赛灵思亚太区Zynq业务开发经理罗霖

赛灵思亚太区Zynq业务开发经理罗霖则表示自从Zynq推出后,目前已经超过500家的客户在使用Zynq并有不少客户已经实现量产出货,“工业领域的产品量级都不是很大,而且定制化的特点明显,比如需要支持更多的网口,这是很多ASIC器件完成不了的,而这正是FPGA可以发挥的地方。”他指出,“传统上工业客户会在后端采用一片FPGA完成接口的拓展和数据的处理,现在随着内嵌双核ARM Cortex-A9的Zynq推出,很多方案可以省去前端的DSP或者MCU,不但成本可以降低同时大大提升性能。”

林逸芳以马达控制为例说明在采用FPGA以后,控制环路的速度可以提升15倍以上!这意味着可以实现高效精准的控制,而这样也是符合节能减排的趋势。


关注四大应用深度剖析FPGA优势所在
林逸芳表示赛灵思FPGA在工业应用关注四大领域,分别是马达控制、工业网络、机器视觉和工业安全。在这些领域,赛灵思以及合作伙伴可以提供成熟的方案和IP。

在马达控制方面,设计师关注的要点是降低噪音、减少震动 、降低 EMI、更高精度、减少能源消耗和安全性,他们面临的挑战是如何实现差异化、如何降低系统总成本、如何应对系统复杂功能以及如何提升系统的安全性。 而FPGA所具备的特点恰好可以解决这些难题,林逸芳表示FPGA在马达控制的优势可以总结为降低系统总成本、增加方案的灵活性,通过扩展方案的接口延长方案应用周期以及提升系统性能。“FPGA擅长并行处理,所以对于需要进行多个马达控制的领域,比传统的MCU+DSP方案优势明显很多。”罗霖指出。

基于赛灵思Zynq-7000的单芯片马达控制方案

基于赛灵思Zynq-7000的单芯片马达控制方案

林逸芳指出赛灵思的 FPGA为设计人员提供了磁场定向控制(FOC)及其他算法所需的处理功能,有助于提高马达效率。除了提升性能,赛灵思 Zynq-7000 器件还通过提高片上系统组件集成度、提升DSP功能、提高可靠性以及使用熟悉的软件编程结构简化解决方案定制等方式来降低马达控制成本。处理系统和可编程逻辑的紧密集成还能实现高带宽和低时延,用单个器件即可支持马达控制和实时网络接口。

赛灵思FPGA在工业网络中的优势是支持缆线和实时网络协定、整合网络和定制功能以降低物料清单(BOM)成本、丰富的IO和逻辑元件支持多协议的转换、具备低延迟效能的高集成度、成熟的开发板和参考设计缩短开发时间、支持超长生命周期方案以及整合多种网络安全功能等等。“对于支持超长生命周期方案,我深有体会,我们的有的客户还在使用我们十年前的产品,对他们的需求我们依然提供支持和服务。”林逸芳指出。

在2013工业计算机和嵌入式系统展(IPCE)上,赛灵思的合作伙伴SoC-e带来了基于Zynq-7000的可靠的、高容错的以太网通信方案演示---SoC-e公司在Zynq-7000 All Programmable SoC上实现高可靠无缝冗余协议(HSR)和并行冗余协议(PRP),该方案具有高精度时序功能,可以应用于如电力自动化、变电站等智能电网领域还可以应用到高铁等轨道交通领域,比相比传统的RSTP、MSTP或私有环网保护技术,它可以实现真正“零丢 包”、“零切换”的网络冗余保护技术。

SoC-e公司联合创始人Armando Astarloa博士亲自站台,为工程师演示方案,这样的首次演示自然引发了围观。“对于一些需要高可靠性的领域如轨道交通变电站,这套方案特别适合,不但降低了系统部署成本还提升了性能,目前西门子等公司都有意采用这套方案。” Armando博士强调。“目前这个方案可以支持网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准IEEE1588和IEEE62439-3,SoC-e公司公司可以提供全部的IP。”有想了解更多信息的朋友可以登陆SoC-e公司官网 www.soc-e.com




SoC-e公司的方案演示吸引了很多人

本文作者和Armando博士合影

本文作者和Armando博士合影

罗霖表示Zynq工业领域机器视觉方面应用前景非常广阔,“由于工业视觉中主要完成处理和检测分析,Zynq中的可编程逻辑部分可以逐像素的处理图像而且速度非常快,而ARM A9则可以完成控制处理。”他指出。

“机器视觉需要实时处理能力和高带宽以提高影像分辨率,这都是FPGA 的强项,实际上,赛灵思专门推出了Smarter Vision解决方案,以完整的软硬件方案帮助客户解决机器视觉处理方面的难题。”林逸芳强调。

在本次IPC上,赛灵思展示了应用于机器视觉领域的以太网视频传输协议方案 — 主要展示针对机器视觉应用Zynq-7000和 Artix-7 解决方案。机器视觉应用中的高带宽GigEVision协议用以通过以太网传输多个视频流,同时支持多个节点和低开销。赛灵思合作伙伴Sensor to Image提供了演示。

目前,在工业领域可编程控制器应用非常普遍,可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)实质上就是一种专用于工业控制的计算机,它采用一类可编程存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。显然,FPGA完全可以胜任这些工作,在IPC上,赛灵思就展示了基于Zynq-7000 的 SoftPLC 开发平台,这是赛灵思、德国科维软件(KW-Software)、POWERLINK和安富利(Avnet)联合发布的一款基于Zynq-7000的预集成开发平台,可以快速、精准地实现工业自动化控制应用。

在工业安全方面,林逸芳表示赛灵思的FPGA元件也可以应用在工厂机器的监测工作上以及开发满足IEC 61508要求的产品。她表示IEC61508被评准为电子设计自动化领域中的功能安全标准,赛灵思已经推出完备的解决方案,其中包括IP、工具套件和经由IEC61508认证的设计方法。这方案可为客户设计安全产品提供了良好的基础和完整的设计方法。

罗霖透露,为了帮助本土工程师快速上手工业领域嵌入式开发,赛灵思将和合作伙伴推出一款售价99美元的名片大小的开发板,它基于赛灵思Zynq-7000 All Programmable SoC,能支持Linux等操作系统,实际上就是一个开源的嵌入式计算平台,工程师可以利用这个平台快速开发应用。


林逸芳表示随着工业应用智能化,许多传统上基于PC的解决方案都在转向嵌入式方案,而传统采用MCU的方案面临的挑战是实时运算能力不足, 赛灵思的Zynq系列产品可以同时满足尺寸、成本效能需求,所以应用前景非常广阔,赛灵思与其联盟成员共同推出的最新Zynq-7000 All Programmable SoC智能驱动器平台提供了必要的硬件、设计工具、马达、IP核和参考设计,可加速工业嵌入式控制系统的设计与实现进程。我们期待Zynq给工业应用带来更多变革!