莱迪思Automate解决方案集合助力工业自动化开发

似水流年

莱迪思Automate解决方案集合助力工业自动化开发



市场调研机构Fortune Business Insights的报告显示，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。在强大的经济和技术力量推动中，工业环境下设备的运作方式也正在快速变化。工业自动化顾名思义是在生产过程中机器实现自动化运行，解放人类的双手。其本身有着广泛市场应用，如工业生产中的摄像头、机械臂、机器人、仓储、运输、增强现实、工业传感器等等，这些应用需求的增加将推动整个市场的暴增。然而半导体是工业自动化设备的核心，提供必要的处理、控制和检测功能，确保着这些设备能在物联网环境中有效地运行。

莱迪思半导体作为低功耗可编程器件的领先供应商，除不断扩充其低功耗FPGA的发展外，自2018年开始陆续推出一些方案集成。近期推出了Automate 解决方案，重点应用在工厂自动化生产方面。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。其目的是实现更快、更便捷地开发出工厂自动化生产所需的方案。

发挥自身特点布局工业自动化领域
下一代自动化系统的要求需支持低功耗运行、低数据延时、高可靠性和实时处理等特性。这些领域恰好又都是Lattice FPGA本身所擅长的。该公司通过对工业市场的了解以及结合莱迪思芯片自身的特点，着重在以下工业自动化领域进行布局。例如，精准的马达控制、可预测性维护的功能、网络互连或者是同步操作、功能安全以及网络保护恢复。莱迪思半导体亚太区资深市场开发经理林国松先生在发布会上介绍了此方案的组成以及优势。

Automate方案合集
该方案秉承莱迪思一贯的方案开发架构，首先在硬件平台方面，莱迪思会提供其最新公布的Certus™-NX马达控制开发板和基于MachXO3D™的硬件安全开发板；
基于以上硬件平台，莱迪思会提供EtherConnect IP 核，CNN处理单元和PDM数据采集器；
在软件和工具方面，包括RADIANT和DIAMOND，RADIANT主要支持Certus NX的芯片，DIAMOND则支持XO3D芯片，同时还有Lattice已经发布的Propel，使用RISC-V软件的IC；
在参考设计方面，支持多种马达驱动控制的参考设计、预测性维护的参考设计、实时工业网络控制、硬件安全方面，主要为XO3D本身硬件提供的安全性功能。
另外莱迪思还提供定制化服务，与第三方一起针对机器人的控制PLC、恢复和安全的合作。

                               
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可扩展的多轴马达方案
以多轴马达方案为例，林先生介绍说，下图中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。众所周知，FPGA最大的特点就是响应速度快，想要精确地控制马达的转速和位置，响应速度快是很重要的一点。相较于MCU，采用FPGA器件可以说是用户实现硬件驱动定制化的一种方式。
该方案灵活性高、支持各类马达；在闭环控制方面，该方案在性能、定位、精度、效率和精确控制方面都能提供更高的水准；在感知上可实现速度环和位置环；参考设计提供多通道BLDC马达控制，并且基于GUI的控制和监控，并且基于Propel的软件/硬件子系统。
除此之外，功耗是不可忽视的重点，下面来看看FPGA与MCU对马达控制在功耗上的对比。
Lattice最低可以提供7mW的功率消耗，而采用传统MCU，要达100mW。马达数量更是FPGA或者说是Lattice FPGA的一个优势，在IO上FPGA具有很好的扩展性，可以控制更多数量的马达，并且做到灵活配置。传统的MCU则限于两到三个马达数的定制。

                               
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拥有AI功能的多通道马达控制实现可预测维护
Lattice Automate将AI的算法落地到工业马达控制上，与我们所熟悉的面部识别类似，AI在马达上的应用是通过相对的好、坏波形以及信号的稳定性，不断的学习来判断马达是否工作在稳定状态下。有助于提前知晓马达的性能状况。另外通过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。林先生表示，为减小带宽消耗，降低网络延时，以上所有的预测均在本地处理。

                               
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通过Ether Connect实现嵌入式实时感测和控制

在工业控制中，有很多的应用需要所有马达在同一个时间点进行动作，但现实上，马达和马达之间是有一定延时的。想要解决实现同时互动，就必须要知道每个马达之间的延迟有多少？控制的越精准，实现同步误差就越小。Lattice通过器件和方案来缩小微秒级以下的器件和器件之间同步协作的差异，如此更好的控制整个马达同时运作的同步性。
此方案采用Lattice自身开发的EtherConnect IP。可以利用器件的低功耗来达到实时网络互连，同时采用集中式主控制器来管理，支持多个BLDC马达。目前Lattice串联了16个控制板。林先生也表示，更多的串联也是可以做到的，只是目前并没有客户提出要求。

                               
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网络保护恢复
网络保护在任何应用上都是必不可少的，Lattice 利用在硬件级别上的保护，将方案引入工业自动化控制，可以实现在启动前、启动期间和正常运行时进行固件保护。在固件更新时，可以验证这些固件是否是一个授权的合法固件，同时还可以监测和保护。当固件受到攻击时，可以保护固件或者恢复到最初始的Golden Stage。

软件设计工具简化开发
Lattice提供的参考设计中会用到两个主要的工具。除了FPGA使用的工具RADIANT和DIAMOND之外，还可以提供Propel，这是基于C代码的设计，支持拖放式，简化开发流程，降低开发的错误风险。
另外一款软件用于人工智能的培训网络，基于人工智能培训最标准的网络，经过神经网络编译器编译成为能够在Lattice FPGA内运行的代码，这些代码是结合Lattice CNN IP，可以执行相对应的人工智能实现的功能。

                               
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Nexus FPGA助力Automate更大优势
Nexus FPGA是工业应用的最佳选择，功耗比同类器件更低，能够提供更小的尺寸，提供安全的保护机制，同时有瞬时启动。在FD-SOI工艺基础上实现更高可靠性。这无疑为Automate方案提供了更大的优势。

  总结起来，Automate解决方案可加速工业自动化开发，主要体现为该公司所提供的标准的IP以及内部的软核，能够进行C代码开发，支持马达精确控制，实时网络互连，EtherConnect和预测性维护以及引用AI实现智能化控制。方案集合包括模块化硬件平台、便于使用的设计软件、IP库、参考设计以及定制化服务。

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