根据National Instruments Corp公司(其是总部在美国德克萨斯州奥斯汀的自动化产品供应商)的LabView 研发小组经理Mike Trimborn的说法“FPGA技术赋予了专属硬件线路可靠性、完全并行执行以及快速闭环控制的特性真正起作用的短语是“现场可编程的”。不像特定应用的集成电路,诸如ASIC,其一旦烧入了指令就不能更改。FPGAs在写入过后还可以重新配置。也不像微处理器需要一个操作系统来操作所有置入的功能。FPGAs对编程人员来说,只需要工具箱来下载代码。
Trimborn解释到,FPGA是一个包含了可重构门列阵逻辑电路矩阵的设备。一旦FPGA配置好了,内部电路以一种特定方式连接,实现软件应用的硬件执行。FPGAs实际上是完全并行的,所以不同的过程操作不需要争抢一个资源。这样的结果是,当新的过程处理加入后,应用的另外部分不会受到影响。同样的,多个控制回路可以以不同的速率在同一个FPGA设备上运行。
可并行运行和可多控制回路运行的特点是这项技术的优势。单一的FPGA通过一个集成电路芯片上数以百万计的逻辑门的协作,就可以取代数以千计的离散元件。Trimborn继续解释,FPGA的芯片内部资源包含了可配置的逻辑模块(CLBs)的矩阵,其与I/O模块的边缘联系在一起。信号通过可编程的互联开关和线路在FPGA矩阵中流转。
FPGA赋予了高可靠性和高速率。Trimborn指出了一个运行在NI的LabView FPGA模块上的比例积分微分(PID)控制回路,其运行速度大概在300纳秒。PID控制是在过程控制中最基础的算法。
芯片上的安全
在工业自动化市场中,FPGA的一个新应用是Altera Corp.发布的机械安全性FPGA模块。Altera Corp.是基地在加利福尼亚州圣何塞,一家致力于可编程逻辑技术的公司。在这个应用中,Altera开发了一个安全数据包,其已被德国测试认证公司TÜV认证。Altera公司的市场开发经理Frank Foerster说,TÜV验证的工业安全数据包可缩短开发时间高达两年。FPGAs的可编程序性保证了开发投资,在安全决定性设计中去除了功能废弃时的风险。FPGA的易系统集成性通过替换DSPs(数字信号处理器)、微处理器。其他半导体的功能,也帮助制造商降低了整个系统成本。
今天的安全系统和新规范要求对于更复杂的网络和分布式安全功能有更多的要求。根据新规范,实现系统可能就要求有多处理器。根据Foerster的说法,整个系统成本可以通过使用集成了多样元件在单一芯片上的FPGA来降低,其中包括安全控制器,现场总线控制器,应用微处理器。
Altera公司工业事业部门高级技术市场经理Jason Chiang关注于客户的实用性反面的问题,这些客户开发芯片和技术来使今天的工业网络得以实现。在无序的工业以太网前景中,其包含了EtherCat,Ethernet Powerlink,EtherNet/IP和Profinet,客户可以在单一FPGA上实现不同的网络,实现不同的通讯协议,这样就可以简化应用的过程。
尽管在其26岁生日时,FPGA技术前景变坏,其依然继续在工业自动化业实现着新应用。