降低工業應用的總體擁有成本

摘要：大約三分之一的嵌入式設計人員考慮在嵌入式應用中采用FPCJA，他們認為在設計中使用FPCJA過于昂貴。但是，從系統級了解總體擁有成本（TCo）（由產品生命周期中的開發、改進、替換和維護成本來衡量），您會發現FPCJA是分立微控制器（MCU）/數字信號處理器（DSP）/ASSP產品靈活的競爭方案。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269811.htm

關鍵詞：嵌入式；FPCJA；工業以太網

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.004

引言

工業自動化和過程控制生產商一直面臨持續的全球競爭和經濟壓力，商業模式和利潤不斷受到威脅，不得不應對成本挑戰，包括：

利潤和研發投入；

產品及時面市壓力以適應經濟狀況的變化；

高效使用有限的資源以更新和替換現有產品，或者發布新產品；

管理產品生命周期。

本文使用一個設計實例來幫助包括系統、硬件和軟件工程師在內的設計人員理解怎樣利用Altera Cyclone和MAX 10 FPGA來降低總體擁有成本（TCO），它由系統生命周期內的開發、改進、替換和維護成本來衡量。如圖1所示，較低的TCO直接提高了毛利潤，從而減緩了當今大部分設計團隊所面臨的壓力。

FPGA降低了TCO

為闡述Altera Cyclone和MAX 10FPGA是怎樣降低TCO的，本文使用驅動控制應用程序（圖2）作為一個實例，用于解決用戶可能面臨的工業設計難題。MCU和DSP是目前這種運動/驅動控制體系結構的基礎，同時FPGA體系結構發展很快。MCU/DSP體系結構有很好的用戶基礎，其成熟的體系結構、開發工具以及運動控制算法主要用于單軸驅動應用中。驅動系統越來越復雜，驅動控制軸數量也越來越多，產品功能在增加，MCU/DSP體系結構在性能上很快便不能滿足要求，無法靈活地應對市場需求的變化。隨著系統性能的提高，設計人員只能提高MCU/DSP頻率，優化某一點的軟件算法。

為解決這一問題，設計人員使用多個DSP器件，結合DSP和MCU器件，或者同時使用MCU/DSP器件以及FPGA來劃分其設計的性能和功能。雖然MCU/DSP體系結構能夠在一定程度上重新使用代碼，但是，重新使用經過高度優化的代碼會付出很大的勞動，很難進行劃分并將其應用到新器件中。

過渡到工業以太網

工業網絡過渡到基于以太網的網絡，通常需要將驅動系統連接至這些工廠網絡。而MCU和一些較新的數字信號處理器能夠支持（標準）具有軟件開銷的以太網TCP/IP，這種組合會有問題，原因如下：

大部分MCU帶寬不足，大部分數字信號處理器不能在處理工業以太網和現場總線協議的同時完成驅動控制。

MCU在其PWM輸出上進行精確運動控制的能力有限。

很多DSP器件無法滿足TCP/IP堆棧要求，因為其體系結構缺少支持TCP/IP所需要的字對齊功能。

這些難題意味著設計人員不得不使用更多的MCU、ASSP或者FPGA器件以連接目前的產品和工業網絡。縮短產品面市時間

使用一個或者多個MCU或者DSP器件實現驅動控制功能，考慮額外的網絡和安全要求，這都會將開發時間延長18到24個月。額外的時間意味著提高了研發成本，有可能降低收益和利潤。當電路板上增加額外的元器件時，也會增大產品的BOM成本。使用現有軟件

軟件工程師可以把他們的MCU/DSP經驗應用到可編程嵌入式CPU上，例如，Altera的雙核ARM Cortex-A9 MPCore，Nios II嵌入式處理器，ARM Cortex-Ml和Freescale的ColdFireVl內核，這些都可以與Altera FPGA-起使用。

當今電子產品的功能要比10年前強大得多，而且更加靈活和復雜，包括使用處理器、操作系統和應用軟件所實現的功能。很多產品已經發展到軟件設計上的投入時間要比硬件設計多出很多人工年。這表明，考慮到產品更新，選擇的處理器如果不支持與當今系統相同的操作系統，會需要進行大量的軟件導出工作，導致工程在器件選擇和靈活性上受到很大限制。

對于硬件設計人員，具有嵌入式處理器的FPGA器件的優勢是非常明顯的。很多操作系統公司提供全面支持，對功能進行改進，因此，很多軟件工程師開始采用基于FPGA的系統，發揮其優勢，延長產品生命周期。硬件和軟件工程師需要進行一定的投入來學習C程序軟件編程和FPGA設計的VHDL編程。但是，一旦設計人員決定采用FPGA設計方法，FPGA比僅采用MCU和DSP器件的解決方案性價比更高，更靈活。對多個設計進行修改

以本文使用驅動為例，如果從這一基本平臺開發的y產品具有不同的特性，那么，設計團隊必須首先在每塊電路板的x器件上實現其硬件和軟件，花費t時間，然后，對這些產品例化硬件和軟件y次，花費t2時間來完成多個產品。這帶來的成本因素是（（x×t）×（y×t2））。設計團隊已經知道這一方法并不簡單，產品無法迅速面市，不能降低包括開發、改進、支持、維護和替換成本等在內的產品生命周期成本。

為簡化這一過程，設計人員可以利用Cyclone系列體系結構，設計支持多條產品線（SKU）和多種功能的通用硬件平臺（如圖3）。在最初設計基礎上，對于每一后續產品，基于FPGA的產品支持工程師重新配置Cyclone系列FPGA，不需要重制PCB（印制板），節省了設計團隊數月的工程工作時間。

考慮驅動生產商提供支持多種網絡協議的產品這一實例，例如EtherCAT、PROFINET （RT/IRT）和Modbus/TCP等。MCU/DSP解決方案不僅需要額外的器件來支持通信通道，而且還需要三塊電路板。對于設計人員，開發或者許可協議專用MACIP（如果需要）和協議專用堆棧，三塊電路板的成本會高達$300K（每塊電路板$100K），而且還要考慮相應的軟件開發成本。

但是，設計人員可以使用Cyclone或者MAX 10 FPGA，在相同的FPGA上集成驅動控制和工業以太網，使用相同的硬件平臺支持多條產品線（SKU）和所需要的功能。在前面提到的實例中，不需要開發三塊電路板（每一IE協議標準一塊），供應商在產品中使用很少的元器件和PCB，節省了$150K到$200K的MCU/DSP開發成本，顯著降低了BOM成本，由于減少了PCB電路板設計，生產商也簡化了與產品存儲和運輸相關的物流過程。考慮到所有開發資源和時間因素后，FPGA設計方法有助于工程師克服（（x×t）×（y×t2））成本問題。

當設計發揮了FPGA器件的最大能力后，設計人員可以將設計移植到高密度器件或者重新編譯設計，迅速采用其他的Altera FPGA。從另一角度看，這還是一種快速更新方法，使設計人員能夠集成功能，在電路板上減少甚至不采用MCU、DSP和其他元器件。發揮較長生命周期的優勢

產品可靠性有利于降低長期TCO。而且，與Altera FPGA相比，很多MCU和DSP器件的生命周期要短得多，通常在5到7年范圍內，這是因為它們的供應商會比Altera更快停止供應成熟器件，如圖4所示。Altera的策略是支持較長的產品生命周期，一般能夠達到15年。處理器的支持

對于出于性能原因而需要外部主機處理器的應用，設計人員可以采用主流體系結構，例如，Intel ATOM處理器和其他基于PCI Express（PCIe）的處理器。設計人員可以利用這類處理器體系結構強大的軟件回顯系統。他們還可以使用這些處理器提供的高速PCIe接口，與I/O輔助芯片進行通信，集成外設和I/O陣列，支持各種工業以太網協議、SATA和其他IP。圖5所示為靈活的Altera FPGA I/O輔助芯片體系結構。

3D打印：90%是快速原型，DDM有潛力

迎九

3D打印的主流應用有快速原型、快速制造以及個人應用等。

“盡管3D打印已有30多年的歷史，但是實際上真正看到其價值，也就是近幾年，尤其是在中國也就是近一兩年的事。”Stratasys大中華區總經理汪祥艮稱，2014年，中國的3D打印已走向小學、幼兒園（巧克力打印）；在高精尖領域，這一兩年，3D打印已用于航空航天。

我國的中央經濟會議提出生產小型化、智能化、專業化將成為產業組織新特征。由此，智能制造、3D打印技術將是不可或缺的。目前的問題是：3D打印涉足領域非常寬泛，但是還沒有形成一個規范化的行業標準。

另外，在中國，90%以上都是用3D打印機做快速原型，主要還是設計環節的快速原型。不過，在3D打印中，DDM（數碼直接制造）所占的比重越來越大，在更大程度上會推動3D打印機應用。DDM即做終端產品，是供終端用戶直接使用的，而不是供快速原型進行功能、結構、外觀測試用的。

DDM適合小批量、個性化制造。今天主要是三類：夾具和固定裝置；用于生產的快速模具；最終使用部件。DDM需求的潛力非常大。

從銷售層面，3D打印機公司Stratasys的發展可見一斑。亞太區是Stratasys全球增長最快的區域，中國是亞太區增長最快的區域。2014年從硬件角度來看，中國已經連續幾個季度超過日本。但是整體銷售收入，日本還是比中國大，一個非常重要的原因是耗材，日本單臺設備的平均耗材量是中國的幾倍。

3D打印機的技術方向如何？硬件本身的功能越來越強，使用越來越便利，耗材種類越來越多。

現在非常時尚的一種說法是智能手機配合3D打印。一些智能手機已有3D掃描功能，如果加上3D打印、建模。對于非專業應用，可以通過智能手機實現前期數據的輸入，再傳播到云端或者直接去進行3D打印輸出。