现场可编程门阵列为运动控制应用提供了一种经济的替代特定应用集成电路。

曾经有一段时间，有特殊要求的OEM机器制造商或设备制造商不会考虑用专用集成电路(ASIC)代替现成的运动控制器。如今，口罩套的价格约为500万美元，其价值主张也发生了变化。销售数十万台ASIC的制造商仍然可以证明，在生产线的整个生命周期内摊销ASIC的成本是合理的。然而，越来越多的小批量oem正转向现场可编程门阵列(fpga)，作为一种经济的替代方案。

传统上，运动控制一直是主要运行基于c语言的应用程序的微处理器的领域。今天的应用程序越来越具有挑战性;然而，要求超高轴计数与同样高的精度。“如果你想想我们今天遇到的工程问题，它们真的变得越来越复杂了。国家仪器公司。(德克萨斯州奥斯汀)。“过去，我们不得不创建一些自动化生产线。现在我们谈论的是更为复杂的控制问题。”他以欧洲核子研究中心、欧洲超级对撞机或分段反射地面望远镜为例(见图1)，“它们有9000多个中央驱动器，需要严格控制。他们需要定制的控制功能、更高的处理能力和更多的定制能力，这些都是ASIC或FPGA可以提供的。一旦你意识到你需要处理能力，那么下一个问题就是，‘我是从头开始为自己构建一个电路板，还是选择FPGA之类的东西，在那里我可以使用现有的知识产权(IP)?’”

马克·佩隆，公司总裁Alizem Inc .)(加拿大魁北克市)专门研究基于fpga的电机驱动的电机控制IP，该公司将向fpga的转变比作从手机到智能手机的演变。在手机中，芯片专用于一个应用程序，不能随着时间的推移进行升级。通过iPhone，用户可以使用来自各种第三方来源的广泛选择的应用程序来定制设备的操作。“苹果已经将平台和功能分离开来，”他说。“我可以应用第三方应用定制我的iPhone，这与fpga和IP行业所发生的情况完全相同。”新方法允许电机驱动系统设计人员通过在通用硬件平台上实现他们的系统来降低成本和上市时间，同时仍然通过特定于应用程序的软件/IP组件配置来区分它。

三种趋势正在推动当今工业市场的进步:向工业网络的转变，对效率和所有权成本最小化的强调，以及集成水平的提高。Xilinx公司产品营销高级经理Joe Mallett说:“从工厂自动化领域的横向角度来看，你可以看到这些趋势正在聚合。例如，电机控制器正在采用工业以太网接口，或者你会看到集成了高带宽背板的可编程逻辑控制器，用于数据共享，fpga为工厂带来了高性能和低成本。开发者现在能够缩短设计周期，同时适应不断变化的规格，这在工厂里经常发生。”

好的，坏的，丑陋的
灵活性是fpga的主要优点之一。作为直接的、可编程的设备，它们带来了大量的数据处理能力。设计师可以对它们进行并行和串行处理的编程，使它们成为需要极快数据处理的应用的理想选择，如实时电机控制。更好的是，fpga可以简单而容易地重新编程，例如，当控制算法改变时。

当然，我们生活在现实世界中，所以fpga不仅有好处，还需要权衡。为了最好地利用技术，更不用说满足他们的开发时间表，组织需要不同的工程技能集。例如，他们需要的不是技术人员和控制工程师，而是软件和电气工程师。也就是说，fpga编程比以前简单多了，这得益于广泛的工具包和来自各种供应商的越来越多的应用程序库。Perron指出:“第三方IP是获取罕见专业知识的有效途径，可以让系统设计师专注于他们特定的产品差异化。”

一般来说，运动领域的潜在FPGA开发人员可以分为三类:纯硬件程序员、纯软件程序员和在这两方面都具有一定专业水平的混合设计人员。硬件工程师倾向于在架构中的专用块中实现所有功能。Mallett说:“‘我可以用硬件做所有的事情，这是一种普遍的态度。’”“他们更有可能找到FPGA，购买工具，并构建自己的电路板。”

相比之下，软件工程师希望以代码的形式尽可能多地执行应用程序。他们更愿意专注于编程系统功能和创建应用程序，以最大限度地利用可用的硬件资源。FPGA和第三方软件供应商提供了自动化的工具硬件功能设计，允许软件工程师专注于驱动程序和应用程序的开发。

虽然硬件和软件工程师都可以从fpga中获益，但混合工程师代表了真正的甜蜜点。他们更可能采用硬件和控制软件组合的系统(参见图2)。Mallett说:“[开发人员]可以快速地对环境进行编程、测试，并快速地将其转移到生产中。”“客户可以以更低的数量编程和交付，他们不需要做任何硬件PCB设计或验证。而LAbVIEW工具为工厂自动化产品的开发人员提供了一个功能强大且易于使用的环境。”

灵活性和速度
使用fpga，工程师可以使用一个开发板来快速完成设计(仍然处于验证模式)，并在设备上实现它。硬件仿真模式运行芯片通过验证过程。一旦开发人员确定了设计，他们就可以对FPGA进行编程。这种方法的美妙之处在于，如果他们调整控制算法或随后发现问题，就很容易在现场对FPGA进行编程——因此得名。Perron指出:“在产品发布后，FPGA的可重编程性允许用户升级他们的产品，在最近检测到错误的情况下降低维护成本，并通过销售与产品一起的持续维护服务产生新的收入。”“在这个设备通常安装和使用10年或15年的特殊应用中，这产生了巨大的影响。”

与任何封闭系统一样，fpga也需要热管理。然而，他们独特的架构允许他们为这个问题提供一些原始的解决方案。例如，设计师可以很容易地将其分成5条并行路径，每条并行路径的工作频率为15 MHz，而不是连续地在硬件上运行一条200 MHz的数据路径。这种方法降低了电力需求和产生的热量。

随着FPGA认知度的提高，由于数量的增加，成本下降了。一个挑战是用于运动的fpga通常不需要32nm节点处理器。为了保持竞争力，代工厂商必须更新他们的基础设施以适应最新的工艺，特别是因为fpga的其他应用确实需要更小的关键尺寸的设备。这种冲突确实给价格带来了一些上行压力，但总体而言，fpga处于有利地位，能够保持成本竞争力。

尽管如此，应用程序仍然存在最佳解决方案是ASIC，无论是由于非常高的容量，或专门的性能。这实际上取决于整个系统成本、进度和性能，以及什么最适合手头的任务。有一个断点，当客户需要某种程度的性能时，他们无法从集成的产品中获得。总体而言，fpga仍然是值得oem研究的解决方案，允许设计师将硬件功能，如32位微处理器、PCIe、内存块和外部内存控制器集成到单个设备中。Mallet说:“在越来越多的应用中，特别是在工厂中的许多系统中，在FPGA中实现它比在ASIC中实现它更具有成本效益和效率。”特别是随着软件工具和IP的日益普及，fpga正逐渐成为一种更具吸引力的替代方案。“FPGA就像一张空白画布，你可以用它做任何你想做的事情，”他补充道。大多数oem厂商想要的是提供一种能最大限度地造福客户的解决方案，而fpga提供了一种极好的方式来实现这一点。