可編程嵌入式Cortex-M3與混合訊號FPGA在工業控制的解決方案

Microsemi SoC產品事業群資深應用工程師　溫仲堯

此課程主要在說明混合訊號FPGA在馬達控制中的應用，以及此種方式如何提供更好的效能。Microsemi SoC產品事業群資深應用工程師溫仲堯首先說明，此次介紹的混合訊號FPGA產品─SmartFusion，為源自於業界知名的FPGA業者Actel，該公司於2010年被Microsemi所收購。

SmartFusion整合3大部分，分別為32位元ARM Cortex-M3微控制器、可程式類比，以及低功率快閃FPGA，溫仲堯強調，由於SmartFusion是採用FPGA架構而非CPLD，因此能提供更多的Routing資源以及更多邏輯與記憶體資源。再者，ARM等級的32位元微處理器Cortex M3是採用硬核(Hard core)，而非以軟體處理，因此使用者幾乎不用處理時序方面的問題，因此相當適合用於愈趨複雜的馬達設計應用。

整合Cortex-M3、可程式類比及低功率快閃FPGA

在類比區塊部分，最多可支援3個12位元SAR ADC及3個DAC；並具有高達10個比較器、5個電流、5個溫度偵測輸入、10個高壓雙極性類比電壓輸入以及12個直接類比輸入。另外，溫仲堯特別強調，SmartFusion的類比運算引擎能設定取樣排序，因此工程師不需要另寫C Code來處理這些事情，基本上，SmartFusion的設計就是要減輕微處理器的負荷。在Cortex M3微處理器部分，此為32位元的強大處理器，有利於高效能馬達控制應用，SmartFusion還能以AHB/APB 匯流排銜接工程師自行開發的MCU FPGA週邊，再者，I2C、UART、SPI、Ethernet MAC 10/100等皆已內建，省去設計工程師許多麻煩。FPGA更可以提供並實現硬體馬達即時控制與以硬體加速的數學運算。

針對馬達控制，Microsemi亦已提供以1顆SmartFusion元件建置的參考設計，可展現運用不同回饋方式的磁場導向控制(Field Oriented Control；FOC)功能，以供永磁同步馬達 (Permanent Magnet Synchronous Motors；PMSM)之用。

滿足複雜化的馬達控制需求

此參考設計的重要特性包括具備C和Verilog語言的完整原始程式碼；轉矩、速度和方向控制；三相PMSM的磁場導向控制；多軸控制；霍爾效應、編碼器、以及無感測器回饋；以硬體進行關鍵失效偵測；乙太網路通訊；硬體正交編碼器輸入(Quadrature Encoder Inputs；QEI)；含不工作區(Dead Band)的空間向量PWM產生；最佳效能的軟體/硬體配置；可提供設計彈性和升級的可程式化FPGA，以及彈性觸發用的可程式化ADC等。

整體而言，SmartFusion是一可提供高精度、低雜訊、小尺寸、以及更快反應時間的單晶片解決方案，而這些特性是採用AC馬達、直流無刷(BLDC)馬達、或 PMSM 的工業驅動、工廠自動化、醫療設備和軍事應用所必備的。利用SmartFusion此一平台，設計人員可用來建構具優異效能與彈性的馬達控制系統，以滿足特定應用在邏輯、緊密耦合、中斷驅動ADC方面的需求。

MPM提供智慧型電源管理功能

此外，值得一提的還有混合訊號電源管理系統(Mixed-Signal Power Management；MPM)，溫仲堯指出，Actel的混合訊號電源管理(MPM)解決方案包括完整的參考設計與繪圖式配置程式，可用於輸入電源排序(Sequencing)與電壓修整(Trimming)需求。基本上，SmartFusion MPM 方案提供的先進電源管理功能，可簡單透過一GUI來進行配置，系統設計人員能輕鬆地與採用 ARM Cortex-M3 的嵌入式設計整合，並配置智慧型電源管理功能，無需更改FPGA架構中的編程電路。

SmartFusion MPM展示最多達32個獨立電源調整器(電源軌)的通電排序、管理、和斷電排序，其中8個電源軌支援採用PWM的閉路式電壓修整。溫仲堯說明指出，SmartFusion MPM可與 SmartFusion評估套件或開發套件以及MPM子卡一起使用，可在SmartFusion智慧型混合訊號FPGA中發揮100MHz、32位元ARM Cortex-M3的智慧型電源管理功能。

溫仲堯指出，現有的馬達控制設計越來越複雜，所面臨的的挑戰也越來越多，而SmartFusion的諸多特性正足以解決這些問題，例如將更多的功能整合為一以降低成本，以及利用平行處理，使多軸控制仍能快速運作。此外，更靈活的演算法、精確度的增加、利用硬體處理縮短反應時間，以及利用客製化的工業乙太網路及CAN進行傳輸通訊等，都是SmartFusion能為現今複雜的馬達控制設計所能提供的更多優點。