Elastyczność i niezawodność układów FPGA w automatyce

Elastyczność i niezawodność układów FPGA w automatyce

Według Mike’a Trimborna z National Instruments LabView R&D, „Technologia FPGA (bezpośrednio programowalna macierz bramek) zapewnia niezawodność dedykowanych układów, faktyczną równoległość działania, oraz sterowanie w systemie zamkniętym, szybkie jak błyskawica.” – stwierdził. FPGA są w istocie programowalnymi układami logicznymi, które mogą być dowolnie przeprogramowywane.

Kluczowym terminem jest ‘bezpośrednio programowalna’. W odróżnieniu od dedykowanych do aplikacji obwodów zintegrowanych (ASIC), które instrukcje mają ‘wypalone’ na stałe i nie mogą być zmieniane, FPGA mogą być rekonfigurowane już po zainstalowaniu. W przeciwieństwie do mikroprocesorów, które wymagają systemu operacyjnego, FPGA wymagają jedynie zestawu narzędzi do wgrania kodu dla programisty.

„FPGA jest urządzeniem, które składa się z macierzy rekonfigurowalnych bramek logicznych. Po skonfigurowaniu FPGA, wewnętrzny obwód tworzy sprzętową implementację aplikacji. FPGA z natury swojej są równoległe, dzięki czemu różne procesy nie muszą konkurować o te same zasoby.” – powiedział Trimborn. „W efekcie, wydajność jednego elementu aplikacji nie jest zakłócana przez dodatkowe procesy. Na jednym urządzeniu FPGA można równocześnie uruchomić wiele pętli sterowania.” – dodał.

Równoległa natura, oraz zdolność realizowania wielu pętli sterowania stanowią o sile tej technologii. „Jedno FPGA może zastąpić tysiące elementów dyskretnych dzięki milionom bramek logicznych w jednym zintegrowanym w chipie obwodzie (IC).” – powiedział Trimborn. „Wewnętrzne zasoby chipu FPGA zawierają macierz konfigurowalnych bloków logicznych (CLB) otoczonych peryferyjnymi blokami I/O. Sygnały są routowane wewnątrz macierzy FPGA przez programowalne przełączniki.” – dodał.

Jednym z ostatnich zastosowań FPGA w automatyce przemysłowej jest bezpieczeństwo maszyn oferowane przez Altera Corp. „Przebadany przez TÜV pakiet danych BHP pozwala skrócić czas procesu tworzenia nawet o dwa lata. Programowalność FPGA chroni inwestycje i niweluje ryzyko starzenia się krytycznych, związanych z bezpieczeństwem aplikacji. Równocześnie, łatwa integracja FPGA pozwala producentom obniżyć koszty całego systemu poprzez zastąpienie funkcjonalności procesorów sygnałowych (DSP), mikroprocesorów, oraz innych półprzewodników.” – dodał.

Dzisiejsze systemy bezpieczeństwa, oraz nowe regulacje prawne wymaga wprowadzenia bardziej rozbudowanych, sieciowych i rozproszonych funkcji bezpieczeństwa. Implementacja takiego systemu mogłaby wymagać większej liczby procesorów. „Koszt całego systemu może zostać obniżony dzięki FPGA na skutek konsolidacji kilku elementów w jednym chipie zawierającym sterownik bezpieczeństwa, kontroler fieldbus, oraz mikrokontroler.” – powiedział Frank Foerster z Altera.

„W pofragmentowanym krajobrazie przemysłowego Ethernetu, składającego się z EtherCat, Ethernet Powerlink, EtherNet/IP, czy Profinetu, klienci mogą implementować różne sieci na jednym FPGA, a następnie tworzyć egzemplarze różnych protokołów. Upraszcza to proces implementacji.” – powiedział Jason Chiang z Altera.

Pomimo 26 urodzin, technologia FPGA wciąż oferuje w automatyce przemysłowej nowe aplikacje.

(lk)