原创高大上FPGA能否在物联网市场闯出一片天？

 2015-5-13 14:26  2226 22 23 分类: FPGA/CPLD

物联网市场前景广阔，FPGA也来抢食。近年来，Lattice公司针对物联网应用先后推出了iCE40、iCE40 ULTRA等好几款FPGA芯片。日前，Altera公司推出的第十代FPGA当中的低端产品——MAX 10 FPGA，物联网市场也是其主打市场之一。Xilinx公司未来是否也会进入到这一市场中来？ MAX 10这款产品号称是业界第一款多功能、低成本、单芯片的FPGA产品。那么，与以往的FPGA和CPLD相比，它有哪些不同特性，又适合哪些潜在应用？同时，其合作伙伴骏龙科技有限公司也推出了基于MAX 10 FPGA的Mpression Odyssey IoT评估套件和电机驱动方案。其设计意图是什么，又是否能够帮助Altera低端FPGA进入到物联网市场？ MAX 10 FPGA集成了哪些新特性？ Altera公司亚太区产品市场经理吕喆首先告诉记者说，MAX 10的特性包括：非易失（集成了2个Flash）、瞬时加载特性；双镜像配置的Flash；内部集成模数转换模块（ADC）；支持Nios II软核嵌入式处理器；片上集成了嵌入式RAM和DSP模块（传统的CPLD上没有该特性）；DDR3外部存储器接口；集成了高级安全特性；采用单电源供电模式（传统FPGA采用两路隔离电源供电），简化了电路板电源设计。

图1：Altera公司亚太区产品市场经理吕喆。

这些特性意味着什么？“传统FPGA系统组成器件包括外部Flash、处理器、ADC和时钟等。Max 10将这些器件全部集成，仅用两颗芯片即可完成系统设计（另一颗是Altera Enpirion高集成度、单芯片电源解决方案）。这给客户带来的好处是：板上面积显著缩小、BOM成本显著降低、系统设计难度大幅降低、需管理的供应商数目变少、生命周期也变长。”吕喆指出。

图2：相比传统FPGA系统，MAX 10 FPGA系统仅需两个器件。

从MAX 10芯片内部结构可以看出，它与传统的FPGA非常相似——内部包含了逻辑资源、嵌入式DSP和RAM模块、Flash（分为3个：1个可用于存放用户数据的用户Flash和2个支持双镜像配置和远程加载模式的Flash）、ADC、内部电源模块（支持不同供电模式），外围包括8个I/O Bank，支持软核Nios II和软核DDR3控制器。芯片最小只有3mm×3mm。整个上电时间在3ms以内。

图3：MAX 10内部结构。

“市场研究机构Gartner前几年曾有研究报告指出，Nios II是市场上认可度最高的软核处理器。Altera也曾总结过，市场上有1/3的FPGA都在用Nios II软核处理器。”吕喆说，“Nios II可以给客户带来几个方面的好处：Nios II与高集成度单芯片MAX 10相结合，可以当作高集成度的MCU来使用；Nios II可定制，可以根据需求增减外设功能，占用的LE资源也是根据客户需求在变化的；支持实时应用；支持工业和汽车温度等级和规范，可以带来更长的生命周期。” MAX 10上集成了2个模数转换模块（ADC）。首先，它可以实现片上系统监测。MAX 10集成了2个1Msps采样率的ADC，可支持16路模拟输入（即传感器数据）；节省板上面积；可实现灵活的采样顺序；实现更低的延迟。其次，它可以实现环境条件监测。MAX 10集成的温度传感器，可实时监测片上温度变化。 MAX 10集成了Flash。这样做的好处是：降低系统总成本——节省BOM，节省板上面积；降低系统风险——管理更少的供应商，PCB设计更简单，生命周期更长；改善系统管理——瞬时启动，上电时序控制；失效保护、远程加载——镜像备份，降低系统失效风险。 “瞬时启动是指，从上电加载到用户模式仅需3ms以内的时间。很多用户可以会考虑用MAX 10作为电源管理的芯片。电源管理芯片需要在整个电路板上作为第一个被激活的芯片，MAX 10的瞬时启动特性可以很好地支持这个应用场景。”吕喆解释说，“2个Flash可以用来保护失效、远程加载。其中一个用来存储出厂设置，另一个来存储备份镜像文件。当系统发生故障或失效时，备份镜像可以自动加载，防止系统死机。” MAX 10 FPGA的应用领域针对三大市场：工业、通信和汽车。工业应用包括机器人、机器视觉和电机控制；汽车电子应用包括车载娱乐、辅助驾驶和电动汽车；通信、计算和存储等领域的应用包括通信、数据中心和计算。“辅助驾驶现在是一个很热的话题。很多的创业团队瞄准ADAS应用。MAX 10可以提供这类解决方案，比如做图像前期处理、防撞、判断路况和雷达处理。”吕喆表示。

图4：MAX 10 FPGA产品列表。10Mxx中，10M代表MAX 10，xx代表逻辑资源。除10M02外，其他都支持双镜像配置。红线代表引脚兼容。

图5：Altera第十代FPGA器件产品组合包括MAX 10（低端）、Arria 10（中端）和Stratix 10（高端）三大类。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 Odyssey IoT评估板推动FPGA应用到更广阔空间 Altera合作伙伴——骏龙科技有限公司随即针对Altera MAX 10 FPGA推出了Mpression Odyssey IoT评估套件。骏龙科技有限公司助理应用工程部经理（南中国）石曜纶表示，Odyssey MAX 10套件是业界首款集合了ALTERA FPGA、蓝牙4.0 BLE、环境传感器与智能手机应用的开发套件。

图6：骏龙科技有限公司助理应用工程部经理（南中国）石曜纶。

图7：骏龙科技基于Altera MAX 10 FPGA推出的Mpression Odyssey IoT评估套件。

那么，为什么骏龙要设计出这个套件？——目的是扩大FPGA的应用层面。“FPGA一直被认为是高端产品，需要高水平的开发知识。”石曜纶谈道，“既然Altera开发出了MAX 10这个低端器件，那我们就要好好地利用它来扩大一些潜在的应用。” 他表示，近年来FPGA正在逐步应用到更广泛的行业。在产品要求功耗很低同时需要复杂算法处理的情况下，一般MCU只能通过命令顺序处理任务，而FPGA则适合于并行处理多个任务，实时性远优于MCU。此外，可以将专用芯片的功能内嵌在一个软核CPU中。FPGA支持“Nios II”32位软核嵌入式处理器；可使用Qsys系统集成工具，迅速建立所需系统结构，灵活配置外设。Odyssey MAX 10开发包评估板则可在智能设备和物联网上应用FPGA。 Odyssey评估板可通过蓝牙无线传送环境采集数据——使用MAX 10内嵌的ADC采集各种环境传感器的数据，并在MAX 10进行数据分析处理，通过蓝牙向智能设备（手机或平板电脑等）发送结果。这类应用包括物联网设备和传感器网络。 Odyssey评估板还可通过蓝牙无线控制远程设备——使用智能设备（手机或平板电脑等）远程控制各种带有MAX 10 FPGA的设备。这类应用包括物联网设备、工业自动化设备和机器人。 Odyssey MAX 10套件由2块主板构成。其中，蓝牙和传感器模块上包括Broadcom WICED Smart BLE模块、Silicon Labs EFM32 MCU、温/湿度传感器和环境光传感器，以及ADI加速度计；MAX 10 FPGA模块则包括MAX 10 FPGA 10M08、JTAG调试接口、30脚外设接口、MEMS麦克风、各种开关/按钮和8个LED。

图8：Odyssey MAX 10套件由2块主板——蓝牙和传感器模块及MAX 10 FPGA模块构成。

ALTERA MAX 10是最新的非易失集成器件FPGA。它采用TSMC的55nm嵌入式NOR闪存技术制造，支持瞬时接通功能，在单板上电就成为第一个开始工作的器件；内置ADC模数转换器（12位，1MSPS），集成模拟模块和ADC以及温度传感器，非常灵活的采样排序功能；双配置闪存，实现数千次重新编程真正的失效安全更新，可以设计出两种运作程序，在两种设计之间切换；DSP模块，集成18×18乘法器的高性能、高精度应用。

图9：Odyssey系统框图。

Odyssey上，MAX 10目前提供了四种参考设计，包括ADC演试、双配置闪存（LED）、PWM遥控器和时钟频率检测。更多参考设计在计划中。它支持“Personality”个性化设计。MAX 10可以被设计出各种定制化功能（Personality），根据要求增加或修改功能。此外，骏龙科技还针对iOS和Android平台设计了Odyssey APP。该APP需要使用蓝牙4.0或更高版本的终端进行蓝牙配对。

图10：Odyssey设计流程。

Odyssey MAX 10套件基于业界标准接口设计，管脚与标准Arduino Nano管脚兼容。“很多学生和创客喜欢用Arduino开源硬件做原型开发，Odyssey便可以使他们设计起来更加方便。” 石曜纶说。

图11：Odyssey MAX 10套件管脚与标准Arduino Nano管脚兼容。

图12：电路板物理尺寸。

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图13：俊龙科技有限公司Altera产品经理李杰。

在谈到DSP到FPGA的演变时，李杰表示：“6到8年前，你可能看到的标准的电机设计方案是用DSP；通过ADC进电流环；通过IO控制，有可能是采用CPLD，也有可能是采用最小的FPGA，做编码器路径和速度的接收。总线采用RS 485或CAN。4到5年前，引入Profibus总线。现在更高级，采用工业以太网了。我们4到5年前在IO扩展和编码器仍然在的情况下，把通信也包含进来了。演变到今天，我们把主要的东西全都包含进来了。”

图14：DSP向FPGA不断演进的电机驱动设计理念。

随着FPGA的介入，电机驱动方案可以变得高性能和定制化。“当时我们把机器人手臂的Demo给国内一家很先进的客户看，他们说其实这个产品他们是有的，但是没办法做到这么高精度和运行平滑。精准地实现机器手的控制，这就是高性能。”李杰说。 MAX 10 FPGA电机控制方案的特性包括：可裁剪的片上系统，支持主流的工业以太网接口，支持各种编码器接口，单轴至多轴驱动一键升级；超越常规处理器的性能，＜1us的电流环处理延迟，任意可控的PWM模块，轻松实现4096点FFT；集成现有的IP模块，SVPWM，FOC（PI控制器，Clark、Park变换，三角函数），Sigma-Delta ADC接口。

图15：MAX 10 FPGA电机控制方案的特性。

可定制的实时控制调试界面可实现实时状态监控（处理延迟，速度和位置检测），性能跟踪（速度、位置反馈，电流反馈，DQ值），和PI控制器参数（电流环、速度环和位置环）设置。所有调试界面和带观测信号都是可定制且实时显示的。

图16：完善的MAX 10电机设计平台。

最后，李杰总结说，MAX 10是实现高端电机驱动的最佳选择。FPGA提供超越DSP和处理器的电机驱动性能。MAX 10是实现电机驱动的最佳FPGA产品。MAX 10单芯片方案，无需外置配置器件。强大的加密特性，可保护客户知识产权。该FPGA集成ADC、Flash和双引导区。骏龙科技有限公司提供完善的参考设计并免费提供HDL源代码，为客户提供定制设计与联合开发。

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