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為智能工業(yè)自動(dòng)化開發(fā)鍛造加速引擎

2021-06-28 19:38:34 萊迪思半導(dǎo)體

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萊迪思(Lattice)半導(dǎo)體繼2018年推出面向低功耗網(wǎng)絡(luò)邊緣AI的sensAI，2020年公布面向低功耗嵌入式視覺和面向網(wǎng)絡(luò)保護(hù)恢復(fù)可信根的mVision 1.0與Sentry 1.0，及其后續(xù)升級版本mVision 2.0和Sentry 2.0后，日前，面向智能工業(yè)系統(tǒng)的Automate解決方案集合也正式面世。

Automate帶來了什么？

與sensAI、mVision和Sentry解決方案的架構(gòu)類似，Automate的底層硬件平臺基于Certus-NX馬達(dá)控制開發(fā)板和基于MachXO3D的硬件安全開發(fā)板，在此之上是一系列IP核(Ether-Connect、CNN處理單元、PDM數(shù)據(jù)采集器)、軟件工具(RADIANT、DIAMOND、Propel、RISC-V+硬件協(xié)處理)、參考設(shè)計(jì)與演示和定制設(shè)計(jì)服務(wù)，共同構(gòu)成了完整的Automate方案。

作為低功耗通用FPGA，Certus-NX擁有行業(yè)領(lǐng)先的小尺寸封裝的I/O數(shù)量和高速接口——封裝尺寸小至6x6mm的同時(shí)，每平方毫米的IO密度最高為同類FPGA的兩倍；1.5 Gbps差分I/O比同類FPGA最高快70%，此外還支持5Gbps PCIe、1.25Gbps SGMII(GigE)和1066Mbps DDR3存儲器接口。得益于28nm FD-SOI工藝，與同類FPGA相比，萊迪思Nexus技術(shù)平臺的功耗可降低多達(dá)4倍，軟錯(cuò)誤率(SER)降低最高100倍。

在參考設(shè)計(jì)與演示層，Automate包含了多軸馬達(dá)控制、預(yù)測性維護(hù)、實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、硬件安全等多個(gè)方面的內(nèi)容，便于快速開發(fā)常見的工業(yè)應(yīng)用：

可擴(kuò)展的馬達(dá)控制方案——加速開發(fā)實(shí)現(xiàn)靈活的馬達(dá)控制系統(tǒng)，包括用于系統(tǒng)監(jiān)控和控制的基于GUI的用戶界面工具。
預(yù)測性維護(hù)——通過監(jiān)測系統(tǒng)中的多個(gè)馬達(dá)，最小化停機(jī)時(shí)間。
嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)——使用萊迪思Nexus FPGA作為中央控制器，為各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的傳感和控制系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)保護(hù)恢復(fù)——實(shí)現(xiàn)硬件可信根，實(shí)時(shí)檢測、保護(hù)基于固件的攻擊并從中恢復(fù)。
易于使用的軟件設(shè)計(jì)方法——Automate支持萊迪思Propel™，使用嵌入式RISC-V處理器，通過軟件和硬件協(xié)處理簡化工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)。

軟件方面的更新與之前的方案類似。除了支持易于使用的萊迪思Radiant和Diamond設(shè)計(jì)工具，Automate還通過萊迪思Propel設(shè)計(jì)環(huán)境支持RISC-V軟核CPU的使用。該基于圖形用戶界面(GUI)的最新設(shè)計(jì)工具可以使用拖放的方式快速布置和配置基于RISC-V處理器的設(shè)計(jì)。最新版本的Propel設(shè)計(jì)工具支持Automate所包含的全新工業(yè)IP核(Ether-Connect、CNN處理單元和PDM數(shù)據(jù)采集器)。

除了可以通過拖拽簡化系統(tǒng)構(gòu)建外，開發(fā)者還可以在萊迪思RISC-V CPU內(nèi)核上掛載所需要的功能IP模塊，再經(jīng)由可視化連線構(gòu)建系統(tǒng)，并通過C代碼編輯器編輯可執(zhí)行的C代碼，從而簡化了開發(fā)流程。從而一舉降低了對FPGA專業(yè)背景知識的需求，開發(fā)者即使沒有相關(guān)專業(yè)背景，也能夠進(jìn)行方案開發(fā)。

Automate應(yīng)用實(shí)例

市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Fortune Business Insights的數(shù)據(jù)顯示，截至2027年，全球工業(yè)自動(dòng)化市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到3261.4億美元。而Allied Market Research的報(bào)告則指出，2020-2027年，全球機(jī)器人市場規(guī)模將以13.5%的復(fù)合年均增長率快速增加。因此，Automate的應(yīng)用重點(diǎn)將集中于馬達(dá)控制、可預(yù)測性維護(hù)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)互連、功能安全和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)保護(hù)五大領(lǐng)域，以滿足下一代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對低功耗、低延遲、精確可預(yù)測性、高穩(wěn)定性、接口靈活等關(guān)鍵特性的需求。

可拓展多軸馬達(dá)控制方案

工業(yè)場景下通常會部署很多電動(dòng)馬達(dá)。合適的控制系統(tǒng)能夠顯著提升這些馬達(dá)的效率和運(yùn)行生命周期，但是這樣的控制系統(tǒng)往往要求對馬達(dá)的電壓和電流波形進(jìn)行高速和精確的采樣處理。FPGA則非常適合這項(xiàng)任務(wù)，與微控制器相比，它們處理的馬達(dá)數(shù)量至少可以翻倍，能提供比微控制器更高的性能，同時(shí)功耗極低。

在下圖展示的Lattice FPGA可拓展多軸馬達(dá)控制方案中，FPGA負(fù)責(zé)收集馬達(dá)的反饋信息，并通過產(chǎn)生PWM波對馬達(dá)進(jìn)行控制。由于FPGA器件響應(yīng)速度快，靈活性高，具備更好的定位、精度、效率和精確控制等特點(diǎn)，因此不但可以支持各類型馬達(dá)，還可實(shí)現(xiàn)更好的閉環(huán)控制。相比MCU，Lattice FPGA可控制的馬達(dá)數(shù)量是MCU的2倍，功耗最低可達(dá)7mW，遠(yuǎn)小于MCU的100mW。

具備AI功能的可預(yù)測性維護(hù)

在維護(hù)馬達(dá)之類的設(shè)備時(shí)，傳統(tǒng)的方法有被動(dòng)或主動(dòng)維護(hù)。被動(dòng)維護(hù)一般是機(jī)器持續(xù)運(yùn)行直至出現(xiàn)故障，然后派遣人員診斷并解決問題；主動(dòng)維護(hù)本質(zhì)上是在機(jī)器損壞之前進(jìn)行修復(fù)，這固然值得稱贊，但也很耗時(shí)且價(jià)格昂貴。相比之下，預(yù)測性維使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)來監(jiān)視機(jī)器的運(yùn)行情況，從而掌握機(jī)器動(dòng)態(tài)趨勢和異常狀況，并在機(jī)器停止工作之前為維護(hù)團(tuán)隊(duì)提供 “警示”。有趣的是，僅通過監(jiān)測馬達(dá)的電壓和電流值即可實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，無需任何其他傳感器(熱、振動(dòng)、音頻傳感器等)。

因此，結(jié)合sensAI方案，Automate中也引入了具備AI功能的可預(yù)測性維護(hù)。簡單而言，就是通過波形好/壞、信號穩(wěn)定性高/低等信息，用以判斷馬達(dá)是否處于穩(wěn)定、亞穩(wěn)或是不穩(wěn)定的狀態(tài)，有助于對馬達(dá)性能的下降做出提前警示。延續(xù)馬達(dá)的使用場景是該方案的另一大特點(diǎn)。傳統(tǒng)應(yīng)用中，不可預(yù)測性維護(hù)需要固定的時(shí)間進(jìn)行檢測，確認(rèn)沒有問題后再重新使用，但通過引入可預(yù)測性的AI功能，包括人為干預(yù)在內(nèi)的宕機(jī)時(shí)間將得以大幅縮減。

通過Ether-Connect實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)感測和控制

Ether-Connect嵌入式實(shí)時(shí)感測和控制系統(tǒng)是最新開發(fā)的功能，通過器件和方案來縮小微秒級以下的器件間同步協(xié)作的差異，從而更好地控制多個(gè)馬達(dá)同時(shí)運(yùn)作的同步性。以Ether-Connect IP為例，它可以利用器件的低功耗來達(dá)到實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)互連，同時(shí)用集中式主控制器來管理多個(gè)BLDC馬達(dá)。具體的支持?jǐn)?shù)量，取決于整個(gè)系統(tǒng)的最低刷新率，目前可以實(shí)現(xiàn)16個(gè)控制板的串聯(lián)，甚至更長。

除了支持EtherConnect私有協(xié)議外，該方案還支持EtherCAT等其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，萊迪思聯(lián)合瑞薩電子及中電港推出的高性能EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)解決方案最具代表性。此方案采用Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu)，支持EtherCAT總線技術(shù)和多軸應(yīng)用，具備以下三方面的核心優(yōu)勢：

優(yōu)勢一：FPGA控制電流環(huán)，高性能，高精度

在傳統(tǒng)方案中，由于位置環(huán)和速度控制環(huán)的算法復(fù)雜，計(jì)算緩慢且電流環(huán)控制需要實(shí)時(shí)快速更新，很難在單個(gè)處理器芯片里兼顧這兩類不同的算法。而Renesas MPU+Lattice FPGA采用的雙芯片架構(gòu)，能將電流環(huán)控制放在FPGA里進(jìn)行硬件加速，大幅降低延時(shí)，讓電流環(huán)更快速，提高精確度。不僅如此，FPGA還可分擔(dān)處理器的工作，進(jìn)而提升整體性能。

采用FPGA硬件電流環(huán)以及EtherCAT總線架構(gòu)的多軸伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的多軸實(shí)時(shí)同步

優(yōu)勢二：以更優(yōu)成本實(shí)現(xiàn)單/多軸應(yīng)用

與市面常見的SoC和DSP方案相比，FPGA在實(shí)現(xiàn)多軸同步控制、電流環(huán)控制、PWM控制和輸出等方面更具優(yōu)勢，能夠以最優(yōu)成本實(shí)現(xiàn)多軸控制。例如DSP通常只支持單軸電機(jī)系統(tǒng)，如果要實(shí)現(xiàn)雙/多軸電機(jī)系統(tǒng)，需要外加芯片；SoC可以實(shí)現(xiàn)1-6軸，但成本較高。Lattice FPGA可靈活搭配不同型號，可實(shí)現(xiàn)1-6軸電機(jī)控制，成本上更具優(yōu)勢；

伺服方案對比：RZ/T1+Lattice FPGA vs SoC vs DSP

優(yōu)勢三：靈活搭配不同配置

Renesas RZ/T1系列芯片兼容全系列管腳，可根據(jù)不同功能/主頻靈活選擇不同型號。

硬件安全參考設(shè)計(jì)

Automate主要是利用XO3D的芯片特性實(shí)現(xiàn)硬件級別的保護(hù)，從而在啟動(dòng)前、啟動(dòng)期間和正常運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行固件保護(hù)。同時(shí)，還能夠?qū)碳M(jìn)行驗(yàn)證、監(jiān)測和保護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)固件受到攻擊，可迅速恢復(fù)至初始狀態(tài)。

MachXO3D是可實(shí)現(xiàn)硬件可信根的安全FPGA，使用硬件可信根和雙引導(dǎo)特性強(qiáng)化安全控制應(yīng)用，新增的不可更改的嵌入式安全模塊可提供硬件可信根和預(yù)驗(yàn)證加密功能，例如ECDSA、ECIES、AES、SHA、HMAC、TRNG、唯一安全I(xiàn)D和公鑰/私鑰生成，強(qiáng)化了控制功能。同時(shí)，Lattice將用戶閃存升級到了2700kbit，且提供商業(yè)級、工業(yè)級及符合AEC-Q100的汽車級產(chǎn)品。

結(jié)語

Automate解決方案集合貫徹了Lattice持續(xù)打造“基于應(yīng)用的解決方案棧(solution stack)”的產(chǎn)品布局思路，囊括了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員加速開發(fā)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用所需的全部資源，核心目標(biāo)是通過軟件工具、工業(yè)IP核、模塊化硬件開發(fā)板和軟件可編程參考設(shè)計(jì)和演示，為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供評估、開發(fā)和部署基于FPGA的可編程工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用所需的各種工具，加速工廠自動(dòng)化產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。

實(shí)際上值得注意的是，萊迪思Automate解決方案集合并不局限于傳統(tǒng)的工廠應(yīng)用，它還廣泛適用于各種部署環(huán)境和任務(wù)，包括倉庫自動(dòng)化和智能建筑監(jiān)測、管理和控制。