工业自动化 FPGA 应用- 英特尔® FPGA
加速智能自动化
基于英特尔® FPGA 和 SoC 的工业自动化解决方案支持工业系统设计人员创新系统设计，同时显著降低成本和缩短产品上市时间。我们的解决方案支持：
- 借助工业以太网和 IEEE802.1 TSN 协议灵活完成多协议工业网络连接
- 基于安全云连接的可编程逻辑控制器 (PLC)
- 使用基于英特尔 SoC 的片上驱动器和低成本英特尔® MAX® 10 FPGA 打造差异化电动机
英特尔 TÜV 认证的安全包简化并加快 IEC61508 SIL 3 认证过程。英特尔提供完整的 FPGA 功能安全数据包 (FSDP)，包括设备、IP、工具流进而可靠性数据。
网络
工业自动化变革
工业自动化架构正在经历变革，使用大量工厂数据支持 AI 获取洞察，以持续提高生产力。新的行业标准，例如 IEEE 802.1 TSN 和 OPC-UA，将允许搭配使用不同厂商的工业软硬件解决方案。
基于英特尔® FPGA 的工业以太网和 TSN 解决方案为工业 4.0 工厂提供连接功能，使其成为智能、灵活并接近全自动化的工厂。基于 FPGA 的设计支持工业设备制造商快速添加新特性，比如功能安全和深度学习分析，向市场推出具备一流性能、无缝确定性可互操作性、符合安全要求的新产品。更多相关信息，请联系英特尔销售人员。
简化工业以太网
- 工业自动化、可编程逻辑控制器 (PLC) 和电机控制领域的制造商必须想方设法实施各种工业以太网协议，以满足最终用户的不同要求。 采用英特尔高度集成的 FPGA 和 SoC、易于使用的开发工具，以及现成的知识产权 (IP)，您可快速开发能够率先上市、灵活、经济高效的产品。
英特尔工业以太网解决方案可提供：
- 多种协议支持
- 无前期许可费用
- 无复杂版税报告要求
- 灵活的协议选择和未来升级
- 低成本
| 协议 | 提供商 | 支持的设备 |
|---|---|---|
| PROFIBUS | Softing | Cyclone® IV、Cyclone® V SoC、Arria® II |
| PROFINET RT | Softing | Cyclone® IV、Cyclone® V SoC |
| PROFINET IRT | Softing | Cyclone® IV、Cyclone® V SoC |
| EtherCAT | Softing | Cyclone® IV、Cyclone® V SoC |
| 以太网 POWERLINK | Softing | Cyclone® IV、Cyclone® V SoC |
| EtherNet/IP Soft DLR | Softing | Cyclone IV、Cyclone® V SoC |
| Modbus TCP/IP | Softing | Cyclone® IV、Cyclone® V SoC |
Softing 和英特尔助力工业以太网设计
为了更轻松地在设计中添加工业以太网，英特尔和 Softing 工业自动化 GmbH 提供一款无前期许可费用、无单位版税报告要求，并且无延误协商的即购即用解决方案。
只需下载整个工业以太网协议，包括 Softing 软件堆栈。
多种工业以太网协议设计三步骤
- 下载您希望在生产中使用的协议 IP。
- 使用英特尔® Quartus® Prime 设计软件工具和开发套件评估协议 IP。
- 准备进入生产阶段时，通过当地的英特尔销售代表购买低成本安全 CPLD，5,000 多个单元的单位成本不到 3 美元。
以下所有协议（包括 PROFINET、以太网/IP 和 EtherCAT）都可使用相同的硬件。必须购买英特尔安全 CPLD，才能在特定时间启用任何一种协议。
协议下载
立即下载 EtherCAT 协议！
- 下载产品说明，了解详细技术信息
- Altera 英特尔® FPGA 维基：EtherCAT 入门常见问题解答
立即下载以太网/IP 协议！
立即下载 PROFINET RT/IRT 协议！
使用下列应用注释帮助完成 PROFINET 实施：
- 应用注释：PROFINET IRT：西门子 CPU 315 PLC 入门 (PDF)
- 应用注释：PROFINET 参考设计向导和闪存访问 (PDF)
- 应用注释：为 PROFINET IP 添加新的设计组件 (PDF)
- Altera 英特尔® FPGA 维基：PROFINET 入门常见问题解答
评估
英特尔® 和 Softing 产品助力评估和开发解决方案
英特尔® 和 Softing 工业自动化 GmbH 提供一款无前期许可费用、无单位版税报告要求，并且无延误协商的即购即用解决方案。您可以通过使用通信桥接器（一种通信外设），或在英特尔® FPGA 上实施完整的系统（如图所示），灵活集成工业以太网。
工业以太网 — 实施示例
后续步骤：
1.通过 Softing 网页下方的下载选项卡下载协议，包括知识产权和相关文档包。
注：客户必须成为 EtherCAT 技术组 (ETG) 的会员才能使用 EtherCAT（免费获取会员资格）。这提供了一个成员标识号，必须先将它输入到 IP 中，然后才能进行编译。
2.如有需要，选择一个用于硬件评估的平台。
3.对于相关协议，签订文档包中所含的 Softing 评估许可协议。
4.使用英特尔® Quartus® Prime 设计软件评估和/或开发系统。
5.将设计投入生产。所包含的独立安全 CPLD 可满足生产许可要求。不需要额外许可。
硬件开发平台
| Cyclone® IV | Cyclone® V | Cyclone® V SoC |
|---|---|---|
| 工业网络套件 (INK) | Cyclone® V 开发套件 | Cyclone® V SoC 开发套件 |
将设计投入生产
生产系统许可
英特尔和 Softing 支持快速将工业以太网集成至产品。使用外部安全 CPLD 解锁在启动时加载至 FPGA 的协议 IP，跟踪许可过程。关于产品开发和协议评估，IP 可在没有 CPLD 的情况下持续运行几分钟，然后失效。预生产活动中不要求使用安全 CPLD。
安全 CPLD：
- 使用简单接口连接至 FPGA
- 跟踪所使用的许可数量 — 仅支付您发运的许可
- 跨多个协议运行。将相关协议软件加载至 FPGA 并运行
- 可用于多个产品。在整个产品组合中搭配使用协议。编译时定制产品以满足客户要求。
- 提供四个版本
可编程逻辑控制器（PLC）
适用于物联网 (IoT) 和工业 4.0 的英特尔可编程逻辑控制器 (PLC) 解决方案包含使用安全企业云连接启用的单芯片高端 PLC 实施和人机界面 (HMI)。英特尔片上 PLC 解决方案支持全触摸屏 HMI、通过 OPC-UA 的企业应用程序集成和硬件中的安全套接字层 (SSL) 加密，通过基于处理器的加密将性能提高 4 倍，为安全 M2M 和企业通信实现明显更高的带宽利用率。†
构建适用于工业 4.0 的 PLC
可编程逻辑控制器 (PLC) 是工厂控制网络的核心。它们围绕应用处理器进行配置，这些处理器运行工厂控制软件以及所有主机通信协议堆栈。除了处理器，PLC 架构需要支持多种专用外设、背板和通常采用 FPGA 实现的其他自定义接口。
英特尔® SoC 提供了独特的平台，支持您在一台设备中同时实施应用处理器和 FPGA。
借助英特尔® 系统芯片支持片上 PLC
您可以将处理器、FPGA 和其他所需的功能（比如外设）集成至英特尔 SoC，以降低系统功耗和成本，减少主板空间。为帮助您在单个芯片上借助集成的人机界面 (HMI) 设计开发完整 PLC，英特尔与以下公司合作：
- 3S-Smart Software Solutions GmbH — 一家领先的 PLC 软件开发商
- EXOR International — HMI 开发领导者
- Barco-Silex — 安全和加密 IP 领导者
解决方案是使用集成的 HMI 和通过 OPC-UA 建立的安全企业连接，包括 FPGA 架构中的 SSL 加密（速度比基于处理器的实施快 4 倍）在单个芯片上实施 PLC。
基于英特尔® SoC 在单个芯片上实施 PLC
英特尔® SoC：
- 通过 SoC 的双核 ARM* Cortex*-A9 处理器，以同步多处理 (SMP) 或异步多处理 AMP 的模式运行 PLC 应用软件、以太网主协议堆栈和电机控制软件
- 使用 SoC 的硬核处理器系统 (HPS) 实施 PLC 系统处理器所需的大部分外设，包括 USB、CAN、以太网、计时器和 UART
- 使用 FPGA 结构实施特殊外设，比如多端口以太网交换机和 TCP/IP 卸载
- 实施 FPGA 结构中的人机界面 (HMI)
- 实施 SoC 上的物联网云服务器与企业的连接（通过 OPC-UA）
- 在 FPGA 结构中实施面向 OpenSSL 的加密加速引擎
更多信息：
PLC 中的人机界面 (HMI)
如今的 PLC 设计普遍采用各种人机界面 (HMI)，包括带有触摸屏的 3-D 图形用户界面 (GUI)，便于操作和维护、培训操作人员，并确保信息可用性和安全性。在单独的应用处理器设计 HMI 操作不仅组件成本高昂，而且芯片到芯片数据通信方面存在浪费，导致 HMI 处理器和 PLC 处理器之间产生延迟。使用 SoC 的硬核处理器系统 (HPS) 可以解决这些问题，但是执行高性能显卡所需的处理器周期方面存在浪费。
FPGA 架构的 HMI 减轻硬核处理器系统的负载
英特尔® HMI 解决方案采用独一无二的 FPGA 架构硬核处理器系统。该方法不仅可将 HMI 集成与 PLC 相同的 SoC 中，而且还可以通过在 FPGA 架构中执行所有图形加速和触摸屏功能，将 HPS 从 HMI 相关的图形计算中释放出来。
支持 CODESYS 集成的拖放符号库
Exor International 以 JMobile Studio Graphics Editor 形式为 Cyclone® V SoC 提供的英特尔® HMI 解决方案直接与 3S Software GmbH 的 CODESYS PLC 相集成，并提供了丰富的符号库支持拖放 HMI，从而构建有效的图形界面，高效表达信息，进而支持使用集成的 CODESYS PLC 和 HMI 轻松开发流程控制应用程序。
通过 OPC-UA 实现安全企业通信
OPC 是一种可互操作性标准，用于工业自动化领域和其他行业安全、可靠地交换数据。它独立于平台，可确保多家供应商的设备之间无缝传输信息。OPC 基金会负责该标准的开发和维护。OPC 统一架构 (UA) 于 2008 年发布，是独立于平台、面向服务的架构，将单独 OPC Classic 规范的所有功能集成到一个可扩展框架中。
英特尔合作伙伴 Exor International 提供的英特尔单芯片 PLC 设计将 PLC、HMI、网关和云服务器集成在单个 Cyclone® V SoC 中，通过 OPC-UA 与企业安全通信。使用英特尔合作伙伴 Barco-Silex 提供的加密加速 IP 通过 Open SSL 实现安全和加密。
基于 FPGA 的加密支持确保安全的 IoT、M2M 和企业通信
英特尔合作伙伴 Barco-Silex 的易于集成的安全和加密 IP 核将安全性内置于您的 PLC 应用。基于 FPGA 架构的实施方法提供高性能和增强的安全性，同时可扩展的 IP 内核空间支持量身定制，以满足相应的需求。
面向 Cyclone® V SoC 的 BARCO 安全 SoC 解决方案提供：
- 适用于自定义操作系统或裸机编程的 API
- Linux 内核驱动程序
- OpenSSL 集成
- 硬件加速
- 对称：AES、SHA、DES
- 公钥：RSA、ECC
- 真随机数发生器
- 易于集成的 AXI* 接口
与基于处理器的加密相比，基于英特尔® FPGA 架构的安全 IP 实施的性能提升了高达 4 倍，可显著提高带宽利用率，确保安全的 M2M 和企业通信。
电机控制
英特尔电机控制解决方案套件包括参考设计、软件库、知识产权 (IP) 内核以及一系列电机控制硬件平台和配电盘，支持在单一 FPGA 中开发完整的单轴和多轴电机控制系统。从片上驱动器参考设计到配套芯片增强解决方案，英特尔电机控制解决方案支持您使用灵活的 SoC 设计方法打造优势显著的驱动器产品。通过 C/C++ 或 Simulink 模型以及使用英特尔和 MathWorks 基于模型和基于软件的工具流，您可以直接在英特尔® SoC 设备中对嵌入式 ARM Cortex-A9 处理器和 FPGA 架构的设计进行分区。
打造差异化驱动器
电机和驱动器为无数的工业流程提供动力，包括生产、装配、包装、机器人、计算机数控 (CNC)、机器工具、泵和工业风机。这些电机驱动的系统占据工业能耗的 2/3 以上，因此节能运行对于智能工厂至关重要。
英特尔® FPGA 和 SoC 助力高效设计电机控制
使用英特尔® FPGA 和 SoC 设计电机控制和动作控制系统可以显著降低总体拥有成本，提供了以下优势：
- 系统集成：在单台设备上集成工业网络、功能安全、编码器、功率级接口和数字信号处理 (DSP) 控制算法，解决了物料清单 (BOM) 成本、能耗和可靠性方面的挑战。
- 可扩展性能：在整个产品线上使用单个可扩展平台。借助更快速、更高级的控制回路提升性能。
- 功能安全：减少法规遵从时间和工作。英特尔是首家获得机械指令安全标准 IEC 61508 设备和工具认证的 FPGA 供应商。
基于英特尔® FPGA 的片上驱动器
不同于基于 ASIC、ASSP、微控制器和 DSP 设备的传统电机控制驱动器设计，基于单个英特尔® FPGA 平台的驱动器系统（如上图所示）提供一个满足多样化驱动器需求的可扩展平台。
灵活的设计输入方法 - C/C++ 和 Simulink
借助灵活的英特尔设计输入方法简化您的电机控制设计。英特尔电机控制设计流程能够灵活满足嵌入式软件工程师、系统/集成工程师、MATLAB*/Simulink* 算法开发人员和 FPGA 硬件工程师的特殊需求。使用基于软件的设计流程在英特尔® FPGA 和 SoC 中设计集成 ARM Cortex*-A9 硬处理器系统或 Nios® II 软处理器。
使用 MathWorks 的 Simulink 和 Embedded Coder 生成面向 Cyclone® V SoC 的 C/C++ 代码。与 HDL Coder 的英特尔® SoC 支持组合使用时，该解决方案可用于硬件/软件工作流，包括英特尔® SoC 上的模拟、原型设计、验证和实施。 如欲了解更多信息，请访问 MathWorks 英特尔® SoC FPGA 支持页面
英特尔电机控制开发框架
英特尔电机控制开发框架支持您轻松创建面向英特尔® Cyclone® FPGA 和 SoC 的高性能集成片上驱动器电机控制设计。该框架包括参考设计、软件库、知识产权 (IP) 核和一系列电机控制硬件平台，支持用户在单个 FPGA 上开发电机控制系统。
电机控制开发框架无缝集成面向嵌入式 Nios® II 和 ARM* 处理器的系统级设计和软件开发工具，支持您扩展与自定义电机控制参考设计，满足您的应用需求。英特尔® Cyclone® FPGA 拥有高性能固定点与浮点 DSP 功能和 Nios® II 软处理器支持，可提供灵活、可扩展的平台，支持将经济高效的单轴和多轴驱动器集成至单个 FPGA。
电机控制的功率转换
英特尔提供 IP 实施灵活的功率转换算法，以及包含电流和电压控制回路的 2 相双向 DC-DC 转换器。英特尔使用面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 开发了 FPGA IP。
英特尔电机控制参考设计
片上驱动器电机控制参考设计（多轴）
英特尔提供了一整套单轴与多轴片上驱动器参考设计，包括与关键电机控制和接口 IP 相集成的完整的 FOC IP 子系统和运行于集成处理器的系统软件。
片上驱动器参考设计
片上驱动器参考设计是一种面向英特尔® Cyclone® FPGA 和 SoC 的完全集成的单轴和多轴电机控制系统实施方案。如图 1 所示，该参考设计实施软件可配置磁场定向控制 (FOC) 算法，以同时控制多达 4 个集成了关键电机控制接口 IP 的永磁同步电机 (PMSM)。
电机控制参考设计包含以下特性：
- 完整的软件系统，在双核 ARM Cortex-A9 硬处理器系统或 Nios® II 处理器上运行，执行高级控制与配置（除了关闭电机位置和速度循环之外）
- FPGA 加速的纯软件 FOC 实施，连接软件中的位置和速度循环，FPGA 中的超低延迟、高性能电流控制回路用作 DSP 协处理器
- 经过优化的软件可配置 FOC IP 子系统，支持固定点和浮点精度实施
- 集成主要电机控制功能，比如 FPGA 中的空间矢量脉冲宽度调制 (PWM)、Sigma-Delta ADC 接口和滤波器逻辑和位置反馈编码器接口，均由软件控制
- 电机控制参考设计
英特尔电机控制开发套件
以下硬件平台支持英特尔电机控制参考设计：
| 类型 | 套件/主板说明 | 厂商 |
|---|---|---|
| FPGA 主机控制主板 | 英特尔® MAX® 10 开发套件 | 英特尔 |
| FPGA 主机控制主板 | 英特尔® Cyclone® V SoC 开发套件 | 英特尔 |
| 电机控制电源板选项（通过 HSMC 连接 FPGA 控制板） | Tandem Motion Power 48 V 主板 | Terasic |
| DC-DC 转换器 | 英特尔® MAX® 10 开发套件 | 英特尔 |
Tandem Motion Power
Cyclone® V SoC FPGA 开发套件、Terasic SoCKit 开发套件和英特尔® MAX® 10 FPGA 开发套件支持片上驱动器电机控制参考设计。运行于 FPGA 主机板上的设计通过高速夹层卡（HSMC）接口连接双轴 Tandem Motion Power 48 V 主板。
功能安全
减少功能安全认证时间和工作
为简化并加速您的安全认证过程，英特尔与 TÜV Rheinland 密切合作，提供或 IEC61508 认证的功能安全数据包，它包括：
|
适用于功能安全设计的 TÜV 认证 FPGA
我们经过认证的安全完整性等级 3 (SIL3) 功能安全数据包缩短了 IEC 61508 开发时间，降低了安全关键工业应用的认证风险，例如，工业伺服和逆变驱动器、安全器件以及自动控制器等。安全隔离设计流程保留了 FPGA 快速升级/漏洞修复的优点，而且整个设计不需要重新认证。我们的客户自 2010 年以来一直使用该数据包开发 ISO 26262 认证的工业和汽车应用，以及医疗设备、军事和航空航天应用等。 下图所示为典型的双通道 SIL3 工业“安全”系统，由两个 FPGA 来实施。联系您当地的英特尔® FPGA 代表，了解更多信息并访问 IP-ABG-SafetyDP4（1 年）、IPR-ABG-SafetyDP4（续订）数据包或示例设计。
典型的由 2 个 FPGA 实施的双通道 SIL3 工业“安全”系统
TÜV 认证安全数据包内容
- 关于如何使用经过认证的英特尔® FPGA 开发方法和工具设计 IEC 61508 认证系统的指南
- FMEDA 工具支持计算 Cyclone® V SoC 设计的故障率和安全故障分数 (SFF)
- 功能安全芯片集成应用说明，介绍如何使用可靠性报告检查设备是否合格
- 功能安全工具和工具流程应用说明，介绍如何使用英特尔® Quartus® Prime 设计软件，并按照 IEC 61508 要求设计 FPGA 系统
- 诊断 IP 和 IEC 61508 标准文档以及源代码，用于监控 FPGA 完整性、内存和时钟信号
- 使用数据准确计算 FPGA 设备和系统的时间故障 (FIT) 率以满足安全认证需求的全面指南
- 最新的 FPGA 设备可靠性报告
- TÜV Rheinland 资格认证
FPGA 设备级资格认证数据意味着，您可以充分发挥 FPGA 的灵活性优势，无需提供 IEC 61508 或者同等标准所需的数据和评估。一般而言，您必须收集和记录设备和工具数据，提交给评估人员。采用英特尔的功能安全数据包，为您完成整个设备认证过程。根据部分客户的反馈，从启动认证开始，可以帮助您节省两年的系统开发时间。TÜV 是一家评估机构，他们的标准得到了功能安全评估网络的认可。
可以使用 RTL 编码指南来提高代码质量和可靠性，同时帮助满足 IEC 61508 标准的要求。
评估设计以通过安全认证过程可以无缝完成。遵照并采用我们的基于 FPGA 认证设计流程和方法，并使用其中所包含的检查表，可以确保您实现高质量项目管理，并提供正确的项目文档。
如需详细了解功能安全，请下载采用 TÜV 认证 FPGA 开发功能安全系统 (PDF) 白皮书，以及减少安全认证步骤 (PDF) 白皮书。
安全设计分区工具流
安全隔离设计流程保留了 FPGA 快速升级/漏洞修复的优点，而且整个设计不需要重新认证。该设计流程可确保当非安全区域发生变化时，可完全保留安全区域，证明安全区域的布局布线与之前获得认证的设计完全相同。如需详细了解安全隔离设计流程，请下载应用说明基于 FPGA 的安全隔离设计流程，快速获得 IEC 61508 认证，并联系您当地的英特尔® FPGA 代表，了解更多信息和获取设计示例。
Nios® II 锁步
Nios® II 锁步解决方案由英特尔开发，旨在帮助安全设计人员充分利用经认证的 Nios® II 处理器的灵活性，将其解决方案推向市场，同时满足严格的安全认证要求。
锁步解决方案实现了高诊断覆盖、自检和高级诊断特性，完全符合功能安全标准 IEC 61508 和 ISO 26262，同时不再需要费力开发和执行诊断软件测试库。
面向 Nios® II 锁步解决方案的应用包括 SS1、SS2 等结合了安全编码器的高级电机控制安全特性，以及工业以太网应用的功能安全等。
Nios® II 处理器 IP 包括可合成寄存器传送级 RTL、安全手册、用户指南和即购即用的测试台等。请联系您当地的英特尔® 代表了解更多信息，并获取 IP。
Nios® II 认证套件
Nios® II 认证套件由 Validas AG 开发，支持软件设计人员对安全应用中 Nios® II 工具链的使用进行认证，使其满足 IEC 61508 高达 SIL 4 和 ISO 26262 高达 ASIL D 的要求。
采用 Nios® II 环境开发系统，可将部分 Newlib 库集成到系统中。因此，Nios® II 认证套件还可通过在目标硬件上执行所包含的库测试案例，支持 newlib 库的认证。
英特尔® Newlib 库认证套件包含：
- 4.600 个文件中 240 万个测试案例，以及 42.000 个函数 / 同等类
- 涵盖 newlib 库中的 70 多个主函数
- 覆盖率报告显示 Newlib 库测试的完整度
- 认证支持工具，在目标硬件上运行测试并生成文档
- V&V 报告和TÜV 认证
- 认证用户指南
- 文档模板
请联系您当地的英特尔代表，了解更多信息并获取 Nios® II 认证套件。
SafeFlex，安全参考主板
SafeFlex 功能安全参考主板以及相关参考设计由英特尔和 NewTec 设计而成，旨在帮助客户减少 IEC 61508 认证高达 SIL3 和 IEC 13849 PLe Cat 4 所需的安全设计工作。该主板包括安全应用参考设计以及文档，介绍从安全概念开发到最终产品，完成整个安全设计开发过程所需的步骤。
请联系 NewTec，了解详细信息和购买 SafeFlex 主板。
相关链接
白皮书