可编程嵌入式Cortex-M3与混合信号FPGA在工业控制的解决方案

Microsemi SoC产品事业群资深应用工程师　温仲尧

此课程主要在说明混合信号FPGA在马达控制中的应用，以及此种方式如何提供更好的效能。Microsemi SoC产品事业群资深应用工程师温仲尧首先说明，此次介绍的混合信号FPGA产品─SmartFusion，为源自于业界知名的FPGA业者Actel，该公司于2010年被Microsemi所收购。

SmartFusion整合3大部分，分别为32位元ARM Cortex-M3微控制器、可程序类比，以及低功率快闪FPGA，温仲尧强调，由于SmartFusion是采用FPGA架构而非CPLD，因此能提供更多的Routing资源以及更多逻辑与存储器资源。再者，ARM等级的32位元微处理器Cortex M3是采用硬核(Hard core)，而非以软件处理，因此使用者几乎不用处理时序方面的问题，因此相当适合用于愈趋复杂的马达设计应用。

整合Cortex-M3、可程序类比及低功率快闪FPGA

在类比区块部分，最多可支持3个12位元SAR ADC及3个DAC；并具有高达10个比较器、5个电流、5个温度侦测输入、10个高压双极性类比电压输入以及12个直接类比输入。另外，温仲尧特别强调，SmartFusion的类比运算引擎能设定取样排序，因此工程师不需要另写C Code来处理这些事情，基本上，SmartFusion的设计就是要减轻微处理器的负荷。在Cortex M3微处理器部分，此为32位元的强大处理器，有利于高效能马达控制应用，SmartFusion还能以AHB/APB 汇流排衔接工程师自行开发的MCU FPGA周边，再者，I2C、UART、SPI、Ethernet MAC 10/100等皆已内建，省去设计工程师许多麻烦。FPGA更可以提供并实现硬件马达实时控制与以硬件加速的数学运算。

针对马达控制，Microsemi亦已提供以1颗SmartFusion元件建置的参考设计，可展现运用不同回馈方式的磁场导向控制(Field Oriented Control；FOC)功能，以供永磁同步马达 (Permanent Magnet Synchronous Motors；PMSM)之用。

满足复杂化的马达控制需求

此参考设计的重要特性包括具备C和Verilog语言的完整原始程序码；转矩、速度和方向控制；三相PMSM的磁场导向控制；多轴控制；霍尔效应、编码器、以及无传感器回馈；以硬件进行关键失效侦测；以太网络通讯；硬件正交编码器输入(Quadrature Encoder Inputs；QEI)；含不工作区(Dead Band)的空间矢量PWM产生；最佳效能的软件/硬件配置；可提供设计弹性和升级的可程序化FPGA，以及弹性触发用的可程序化ADC等。

整体而言，SmartFusion是一可提供高精度、低杂讯、小尺寸、以及更快反应时间的单芯片解决方案，而这些特性是采用AC马达、直流无刷(BLDC)马达、或 PMSM 的工业驱动、工厂自动化、医疗设备和军事应用所必备的。利用SmartFusion此一平台，设计人员可用来建构具优异效能与弹性的马达控制系统，以满足特定应用在逻辑、紧密耦合、中断驱动ADC方面的需求。

MPM提供智能电源管理功能

此外，值得一提的还有混合信号电源管理系统(Mixed-Signal Power Management；MPM)，温仲尧指出，Actel的混合信号电源管理(MPM)解决方案包括完整的参考设计与绘图式配置程序，可用于输入电源排序(Sequencing)与电压修整(Trimming)需求。基本上，SmartFusion MPM 方案提供的先进电源管理功能，可简单透过一GUI来进行配置，系统设计人员能轻松地与采用 ARM Cortex-M3 的嵌入式设计整合，并配置智能电源管理功能，无需更改FPGA架构中的编程电路。

SmartFusion MPM展示最多达32个独立电源调整器(电源轨)的通电排序、管理、和断电排序，其中8个电源轨支持采用PWM的闭路式电压修整。温仲尧说明指出，SmartFusion MPM可与 SmartFusion评估套件或开发套件以及MPM子卡一起使用，可在SmartFusion智能混合信号FPGA中发挥100MHz、32位元ARM Cortex-M3的智能电源管理功能。

温仲尧指出，现有的马达控制设计越来越复杂，所面临的的挑战也越来越多，而SmartFusion的诸多特性正足以解决这些问题，例如将更多的功能整合为一以降低成本，以及利用平行处理，使多轴控制仍能快速运作。此外，更灵活的演算法、精确度的增加、利用硬件处理缩短反应时间，以及利用定制化的工业以太网络及CAN进行传输通讯等，都是SmartFusion能为现今复杂的马达控制设计所能提供的更多优点。