Flash-FPGAs mit geringem Stromverbrauch bieten hohen Funktionsumfang

Kostenoptimierte Plattformen für MSR-Anwendungen

Für rechenintensive Mess- und Regelanwendungen benutzt man häufig Standard-DSP. Diese sind für viele Fälle eine optimale Lösung. In einigen Applikationen verbergen sich aber Kosten und Risiken, die den Einsatz von FPGA- und SoPC-Technologie sinnvoll machen. Hierfür gibt es mittlerweile kostengünstige und einfach zu implementierende Lösungen.

Autor: Andreas Koschak/Volker Schäfer

Messen-Steuern-Regeln – Seit Jahren eine Domäne für spezialisierte Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren (DSPs). Diese sind sicherlich für viele Anwendungen die kostengünstigste Lösung und die Technologie der Bauteile sowie der zur Implementierung und zum Test benötigten Software ist bekannt und ausgereift. Mit dem Standard-Bauteil auf dem Board alleine ist es aber nicht getan, die Umgebung (benötigte Leiterplattentechnologie, Speisung, Externer ROM/RAM Speicher, A/D und D/A Umsetzer, Anti-Aliasing-Filter, Taktgeber, Kommunikationsschnittstellen, Betriebssysteme) sowie allfälliger Einarbeitungsaufwand muss bei einer Kostenschätzung ebenfalls in Betracht gezogen werden. Es gilt, eine der Anwendung angepasste, möglichst einfache Architektur zu finden, die sowohl die Bauteilkosten als auch die Produktionskosten und den nicht auf die Applikation verwendeten Entwicklungs-Overhead auf ein Minimum reduziert.

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Kostenoptimierte FPGA Plugin-Module für industrielle Steuerungen

Im Pflichtenheft sind wichtige Fragen zu beantworten

Um eine kostenoptimierte Lösung zu erreichen, muss sich der Entwickler im Vorfeld einige wichtige Fragen stellen:

1. Welche Leistung muss die Hardware zur Verfügung stellen? Wie sieht der Datenfluss aus?
2. Gibt es Parallelität im Ablauf? Wenn ja, in welchem Maß?
3. Wie hoch sind die Realtime-Anforderungen? Wie viele Prozesse sind hiervon betroffen?

Insbesondere der letzte Punkt ist sicherlich auch Bestandteil einer Risikoabschätzung. Nicht behebbare „Flaschenhälse“ führen im besten Fall zu Verzögerungen.

Für Anwendungen mit parallel ablaufenden Prozessen und schwierigen Realtime-Anforderungen sind FPGAs und „System-On- Programmable Chip“ (SoPC) ideal. Da ein SoPC sowohl FPGA-Logik zur Implementierung von Signalverarbeitungsalgorithmen als auch einen Mikroprozessor enthält, sind die Möglichkeiten beider Welten kombiniert. Hier müssen aber die totalen Kosten gegenüber einer Lösung mit einem kleinen externen Controller verglichen werden.

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Abb. 1: Eine FPGA-Plattform für industrielle Anwendungen enthält verschiedenen Bausteine

Digitale Signalverarbeitung und Regelungstechnik mit FPGA

FPGAs bieten rein schon durch die Möglichkeit der Parallel-Verarbeitung von Signalen sehr große Vorteile für Realtime-MSR-Systeme. Sehr viele Timing-Probleme, mit denen sich Entwickler von  Mikrocontroller- und DSP Software herumschlagen, sind bei FPGAs schlicht nicht existent. Die Logikdichte in den Bauteilen hat in letzter Zeit aber stetig zugenommen, und heute kann bedeutend mehr mit programmierbaren Logikbausteinen gemacht werden als noch vor einigen Jahren. Bedingt durch die steigenden Gate-Zahlen der FPGAs und der dadurch steigenden Möglichkeiten erhöht sich auch der Entwicklungs- und Verifikationsaufwand. Ein sauberes, auf Platzverbrauch und Verifikation hin optimiertes Design ist daher unerlässlich. Glücklicherweise erleichtern System-On-Chip Plattformen die Arbeit und bewirken eine enorme Produktivitätssteigerung. Diese im ASIC-Bereich etablierte Technologie hat sich erst in den letzten Jahren für FPGAs soweit entwickelt, dass kostengünstige Systeme auch in Stückzahlen damit entwickelt werden können.

 und Referenzdesigns.

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Abb. 2: Mit einem FPGA-basierten Plattformkonzept sind Prototypen schnell verfügbar

Gesamtsystem setzt sich aus verifizierten Funktionsblöcken zusammen 

Die Aufgabe eines Plattform-Providers ist es, zu allen diesen Funktionsblöcken passende IP (vorgefertigte und verifizierte Funktionsblöcke) zur Verfügung zu stellen, die dann je nach Applikation zu einem passenden Gesamtsystem zusammengesetzt werden können. Da die Vorverarbeitung und Charakterisierung der Eingangssignale für den Regler (wie zum Beispiel die Bestimmung von Frequenzen, Temperaturen, RMS-Werten, Jitter, Maximum/Minimum ) durch platzoptimierte FPGA-Logik parallel und in Echtzeit erledigt wird und die Daten über den On-Chip Bus abrufbar sind, kann für den Regler-Kern selber je nach Anwendung ein günstiger, externer oder auf dem FPGA integrierter Mikroprozessor benutzt werden. Eine Alternative ist das Design eines Reglers ohne Software auf dem FPGA mit Zuhilfenahme von existierender Signalverarbeitungs-IP (FFT, CORDIC, CIC usw.). Die FPGA-Hersteller sowie „Third Party Providers“ bieten mittlerweile eine Anzahl sauber entwickelter und voll verifizierter Funktionsblöcke an, die an einfach On-Chip Bussysteme angebunden werden können (ARM AMBA, Wishbone, Avalon usw.). Dieser IP-basierte Ansatz wird auch durch die Design-Software sauber unterstützt.

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Ein APOR4S-Modul als Beispiel für eine Hardware-Implemation

Bedingt durch die vielen Möglichkeiten, die sich dem Entwickler bei diesen Systemen bieten, muss eine kostenoptimierte anwendungsspezifische Plattform nicht nur FPGA Funktionsblöcke enthalten, sondern auch Software-Unterstützung, Design Services und Referenzdesigns. Mit einer umfassenden Plattform ist es möglich, sehr rasch einen Prototypen des Systems für die Softwareentwicklung und die Verifikation der System-Funktionalität aufzubauen, so dass die Entwicklungszeit für den Kunden minimiert wird. Solche FPGA-Design Projekte können bei richtiger Durchführung auch mit einer agilen Softwareentwicklung synchronisiert werden.

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Die APOR-Testsoftware erlaubt eine schnelle Parametrierung

Die APOR-Plattform für MSR-Anwendungen

Die APOR-Plattform hat man vor dem Hintergrund entwickelt, dass die Implementation oder Aufrüstung eines bestehenden Regelungssystems für einen FPGA-Einsatz sehr viel Zeit benötigt, wenn der Entwickler das System ohne bestehende Grundlagen aufbauen muss. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, hat die Parametric Engineering GmbH ein modulares Grundsystem entwickelt, das die grundsätzlichen Komponenten eines mit der Außenwelt kommunizierenden Regelungssystems implementiert. Diese Komponenten lassen sich jederzeit austauschen. Mithilfe der APOR-Plattform ist man in der Lage, vernetzte Regelungssysteme innert kürzester Zeit entwickeln.
Die Highlights der Plattform sind eine sehr schnelle Regelung, Parallelisierung von Regelstrecken, adaptive Vorverzerrung, Modulsynchronisation, ein Host-Interface mit voller Systemkontrolle, eine einfache Adaptierung mit IP-Blocks sowie eine schlanke Low-Power-IP. Eine komplette Plattformlösung – Hardware, IP, Software, Support.
Die Vorteile für den Anwender sind eine kurze Entwicklungszeit, ein Rapid Prototyping und niedrige Kosten durch produktionsbereite OEM-Module mit dem Fokus auf die Kundenapplikation.

Die Parallelisierung steigert die Leistung

Durch die Parallelisierung und viele Ressourcen lassen sich stabile Systeme mit mehreren parallelen Regelkreisen, Leistungs- oder Temperaturregelung, Frequenz- und Phasensynchronisierung sowie adaptiver Vorverzerrung erzeugen und so die dem System zugrundeliegende programmierbare Hardware optimal ausnutzen. Die bestehenden Module ließen sich vom Platzverbrauch her optimieren und technologieneutral entwickeln.
Daher ist eine Portierung auf beliebige FPGA-Technologien ohne signifikanten Zusatzaufwand machbar.

Die Hardwaremodule sind Ausgangspunkt für OEM-Module

Die auf Microsemi Igloo basierenden APOR-Hardwaremodule dienen als Ausgangspunkt für OEM-Module oder eine Integration der Hardware im System des Kunden. Die Flash-basierenden FPGAs sind gross genug, um die IP aufzunehmen und in Stückzahlen kosteneffizient. Durch die durchgehend geringe Stromaufnahme von 10 bis 30 mA gestaltet sich die Integration sehr einfach. Die kostenoptimierten Hardwaremodule beinhalten schon die Spannungsregelung für die Core-Spannung, einen Taktgeber, Temperaturmessung für sechs resistive Kanäle und zwei Analog-Kanäle mit je einem ADC, Buffer und kapazitiver Isolation. Die FPGA-IPs lassen sich mit flexiblen Preismodellen lizenzieren. Zur Unterstützung der Integration stellt man eine Debug-Software zur Verfügung, mit deren Hilfe man eine Parametrierung des Systems vornehmen kann. Der PC verbindet sich hierbei direkt mit dem On-Chip-Bus des APOR-Systems und kann über eine USB-Schnittstelle das Gesamtsystem charakterisieren und einstellen. Die nicht benötigten Teile der FPGA-IP lassen sich nach erfolgreichem Einstellvorgang aus dem System entfernen oder gegen andere austauschen. Zur Unterstützung von Web-basierter Kontrolle und Steuerung kann man beispielsweise ein FPGA mit integriertem Mikrocontroller benutzen, wie etwa ein SmartFusion.

Infoservice
Parametric Engineering GmbH
Längmättli 2, 3662 Seftigen
Tel. 033 533 20 70
info@parametric.ch, www.parametric.ch

Autor

Andreas Koschak ist Eigentümer und Geschäftsführer der Parametric Engineering GmbH. Das Unternehmen bietet Engineering-Dienstleistungen im Bereich «Embedded Microsystems» für Kunden in der Industrie und im Consumer- Sektor an. Durch einen klaren Fokus auf Systemdesign sowie Herstellerunabhängigkeit findet man optimale Lösungen für höchste Anforderungen. Durch ein leistungsstarkes Partnernetzwerk lassen sich Projekte von der Konzeptphase bis zur Massenproduktion unterstützen.

MSC vertreibt IGLOO nano

Die von der Parametric Engineering GmbH entwickelte APOR-Plattform wurde auf Basis eines IGLOO® nano AGLN250V2 von Microsemi aufgebaut, welche von der MSC Vertriebs GmbH bezogen werden.

IGLOO® nano sind kostenoptimierte Flash-FPGAs mit geringstem Stromverbrauch und hohem Funktionsumfang bei kleinsten Gehäuseabmessungen.

Bei Betrieb im sogenannten Flash*Freeze®-Mode gehen die FPGA-Inhalte, SRAM –und Registerinhalte nicht verloren. Die I/Os werden in Tri-State-Mode geschaltet und der FPGA-Kern wird nicht getaktet. Über einen Mode-Pin kann der Baustein innerhalb einer Mikrosekunde wieder zurück ins Leben gerufen werden.

Für komplexere Anwendungen, wo ein Mikrokontroller unabdingbar ist, bietet Microsemi mit SmartFusion® die optimale System-on-Chip-Platform.

Neben dem FPGA-Kern verfügt SmartFusion® über einen fest verdrahteten ARM-Cortex-M3® Prozessor und stellt zusätzliche analoge Funktionen auf dem gleichen Silizium zur Verfügung.

Bis auf ganz wenige Ausnahmen stehen die meisten IP-Cores und die Designsoftware auf der Web-Seite des Herstellers Microsemi zum kostenlosen Download bereit und gewährleisten einen leichten Einstieg.

MSC-Experten bieten für interessierte Entwickler und Entscheider auch FPGA-Workshops/Seminare mit verschiedenen Themenschwerpunkten in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie an.

Nähere Infos unter:

http://www.msc-ge.com/de/news/seminars/3739-www.html

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Volker Schäfer, Key Account BDM Europe, MSC Vertriebs GmbH, Industriestraße 16, D-76297 Stutensee, fon: +49-7249-910-514, vs@msc-ge.com, www.msc-ge.com

Autoren

Andreas Koschak, Eigentümer und Geschäftsführer Parametric Engineering GmbH, Volker Schäfer, BDM, MSC Vertriebs GmbH

redaktionell bearbeitet polyscope

Daniel Böhler

Veröffentlicht in

polyscope 19/12 vom 18. Oktober 2012