Lattice：FPGA对工业自动化的妙用

2021-05-31 16:06:02 来源: 杜芹

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这几年，lattice除了在做本身擅长的低功耗FPGA之外，考虑到使用方法上和使用场景上的方便性，他们也持续推出了一些方案的集成。2018年首次推出sensAI，2020年推出mVision以及网络保护恢复可信根Root of Trust Sentry Stack，现在lattice更是推出了Automate Solution Stack。这次的解决方案侧重在工厂自动生产方面，主要目的是能够更快、更便捷地开发出工厂自动化生产所需的方案。

为什么是工业自动化？

物联网和网络边缘计算等技术趋势正在推动智能自动化系统的发展，从而提升效率和保障工人安全。市场调研机构Fortune Business Insights的数据显示，截至2027年，全球工业自动化市场规模预计将达到3261.4亿美元。莱迪思半导体亚太区资深市场开发经理林国松表示，这是包括所有器件，并不只是FPGA这一块。最主要的是，我们看到了全球机器人市场的规模年增长率超过10%。

工业自动化本身是一个很大的市场，它应用的场景非常多。除了消费类之外，我们生活或者生产中很多地方都会用到，例如控制、工业生产中的摄像头，还有最大一块的生产中的机械臂、仓储、增强现实，以及传感和机器人，这些市场需求也让Lattice可以在工业自动化上进行着更多的深层次开发，以满足工业市场需求，发挥Lattice产品的性能。

根据lattice的市场调研的结果显示，截止2027年全球工业自动化市场约有3260亿美元。这是包括所有器件，并不只是FPGA这一块。最主要的是，我们可以看到全球机器人市场的规模年增长率超过10%。以上的市场需求让Lattice在工业自动化上进行着更多的深层次开发，以满足工业市场需求，发挥Lattice产品的性能。

低功耗可编程器件的领先供应商，今日宣布推出全新Lattice Automate™解决方案集合，进一步扩展基于低功耗FPGA、全面的解决方案集合产品系列。Automate包括软件工具、工业IP核、模块化硬件开发板和软件可编程参考设计和演示，有助于简化和加速实现机器人、具有预测性维护功能和可扩展的多通道马达控制以及实时工业网络等应用。Automate实现的智能工业系统将在未来智能工厂、仓库和商业建筑的自动化过程中发挥至关重要的作用。

让我们再来看看下一代自动化系统的要求：低功耗、低延迟、精确可预测性、高稳定性、接口灵活，这些都是在工业自动化里面有明显需求的点，而这些领域恰好都是Lattice FPGA本身在着重发力或是有性能优势的。

Lattice工业自动化解决方案的布局

在充分了解工业市场的需求以及结合Lattice芯片自身的特点后，Lattice推出了Lattice Automate™解决方案。Automate包括软件工具、工业IP核、模块化硬件开发板和软件可编程参考设计和演示，有助于简化和加速实现机器人、具有预测性维护功能和可扩展的多通道马达控制以及实时工业网络等应用。Automate实现的智能工业系统将在未来智能工厂、仓库和商业建筑的自动化过程中发挥至关重要的作用。

Automate提供下列参考设计和软件工具，便于快速开发常见的工业应用：

• 可扩展的马达控制方案——加速开发实现灵活的马达控制系统，包括用于系统监控和控制的基于GUI的用户界面工具。

• 预测性维护——通过监视系统中的多个马达，最小化停机时间。

• 嵌入式实时网络——使用莱迪思NexusTM FPGA作为中央控制器，为各种设备实现可扩展的传感和控制系统。

• 网络保护恢复——实现硬件可信根，实时检测、保护基于固件的攻击并从中恢复。

• 易于使用的软件设计方法——Automate支持莱迪思Propel™，使用嵌入式RISC-V处理器，通过软件和硬件协处理简化工业自动化系统的开发。

详细来看，FPGA主要负责收集马达反馈的信息，产生PWM波，对马达进行控制。对于马达控制，想要精确地控制马达地转速和位置，响应速度快是很重要地一点，而FPGA最大的一个特点就是响应速度快。

除此之外，FPGA器件的特点相比MCU来说，其实是类似于硬件驱动定制化的一种方式。对客户来说，可以实现自己的一些算法，类似于通过硬件的方式。在功耗方面，FPGA也比MCU在马达控制方面的表现要好，Lattice最低可以提供7mW的功率消耗，MCU传统上差不多是100mW的级别。马达数量更是FPGA或Lattice FPGA的一个优势，传统的MCU则限于它本身的两到三个马达数的定制。Lattice的马达控制也有限制，但是更多受限于有多少IO，现在我们有上百个IO数。控制的马达数量是根据需要的信号除一下，就可以定出马达的数量。

Lattice Automate结合前期公布的sensAI的方案，也引入了AI功能的可预测性维护。通过AI的功能引入，最大程度的防止停机；另外一个特点是可以延续马达的使用场景。有些时候因为马达的不可预测性，多数情况大家都是在固定的时间去检测，有可能马达可以用更长时间。但是因为不可预测性需要固定的时间去停下来检测，检测发现没有问题再重新用，宕机时间也是有一定损耗的。通过AI可预测性的方式，可以尽量减少宕机时间，包括人为干预的宕机时间。

第三块应用是最近提供给市场的，Lattice称之为EtherConnect实时嵌入式实时感测和控制系统。在工业控制中，很多的应用有一些需求是所有的控制臂或者马达能在同一个时间点进行动作，但是马达和马达之间的时延总是存在的。马达A到马达B之间，哪怕再快也是有延时的。过去大家觉得光速很快，不会有延迟，但实际上延迟是存在的。如果要实现同时互动，就需要知道他们之间的延迟大概是多少，需要能够控制到更精确的级别，这样同步误差就可以更小。

针对这样的实现方案，Lattice开发出了Lattice自身的EtherConnect IP。它可以利用器件的低功耗来达到实时网络互连，同时用集中式主控制器来管理，支持多个BLDC马达。具体支持多少？据林国松的讲述，基本上是和整个系统最低的刷新率有关系，现在我们实验室里面串联了16个控制板。更长的串联也是可以做到的，目前并没有客户特别提出来这个要求。Lattice Automate还可以做到集成控制和监控，信息不断反馈给主机，主机也会很快了解整个马达的运作状况。

网络恢复和保护自然也少不了，Lattice的芯片主要体现在硬件级别上的保护，可以实现在启动前、启动期间和正常运动的时候进行固件保护。针对所有的固件更新，可以验证这些固件是否是一个授权的合法固件，同时也可以监测和保护。固件受到攻击的时候，可以保护固件。如果固件受到攻击，也可以恢复到最初始的Golden Stage。

在Lattice提供的Automate参考设计中会遇到两个主要的工具。林国松讲到，除了FPGA使用的工具RADIANT和DIAMOND之外，我们也提到了能够提供Propel。这是我们自己基于C代码的修改，主要体现在IP配置可以通过拖放式，简化开发流程，而且也降低开发的错误风险。这些也提供C代码的开发，在基于C代码的控制上，多数人对C代码会比较熟，对FPGA的RTL代码有可能需要一定的专业的培训才能够比较好的掌握。

结语

总体来看，Lattice这次公布的Automate解决方案，它的特点是能够加速工业自动化开发，主要体现在其提供的标准的IP以及内部的软核，能够进行C代码的开发。在这次公布的方案里面，能够体现的是针对马达控制的精确控制，实时网络互连，EtherConnect和预测性维护以及引用了AI的一些使用场景到机械控制里。

责任编辑：sophie

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