賽靈思SPARTAN-3A FPGA 可強化面向多端DRI 電源逆變器的控制算法實現(xiàn)方案

面向工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品開發(fā)需要在時限和產(chǎn)品規(guī)范不斷變化的環(huán)境中進行廣泛的研究和準備。雖然這個領(lǐng)域的產(chǎn)品上市時間不像消費類電子產(chǎn)品那樣快，但是產(chǎn)品必須迅速生產(chǎn)交付，并具備盡可能多的用于發(fā)展新一代產(chǎn)品的關(guān)鍵性功能、特性和潛能。企業(yè)力爭成為各自所在競爭領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導者，特別是在綠色能源等全新市場，因其尚處于起步階段，沒有預(yù)定的行業(yè)領(lǐng)導者，從而需要先驅(qū)者設(shè)計、開發(fā)和推出全新的產(chǎn)品。成功不僅取決于倍受鼓舞、專心投入的工程師團隊，高級計算技術(shù)和全新材料，同時還取決于有沒有風險投資者或者政府機構(gòu)為這些能夠改善能源發(fā)電、分配、監(jiān)控、計量和消費等領(lǐng)域充滿前景的方法提供資助。

2011 年秋天，來自新澤西的高級電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品和替代能源系統(tǒng)制造商——普林斯頓電力系統(tǒng)(PPS)的工程師展示了他們最新的綠色電源產(chǎn)品。這種需求響應(yīng)逆變器(DRI)是PPS、美國能源部和桑迪亞國家實驗室太陽能電網(wǎng)整合系統(tǒng)(SEGIS)為期三年的合作成果。

開發(fā)出的多端DRI(圖1)具有獨特的靈活性，相比目前可用的逆變器擁有更高的可靠性、更高的效率和更低的成本等眾多優(yōu)勢。該DRI 配備多個AC和DC 端子，能夠?qū)㈦娫绰酚傻诫娋W(wǎng)、微型電網(wǎng)、DC 能源存儲系統(tǒng)或動態(tài)負載上。可編程電源曲線和充電曲線可提高對發(fā)電機、負載和電池的控制，從而確保更高的效率。此外，使用大容量、較長使用壽命的高級開關(guān)可最大限度地提高可靠性。

普林斯頓電力系統(tǒng)展示了DRI 的眾多特性：提高電網(wǎng)的互聯(lián)性和效率，增強可再生能源系統(tǒng)的性能，以及幫助電動車和分布式發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)更高的集成度。DRI 是該公司“日光島”微電網(wǎng)演示(圖2)的組成部分。這個演示詳細地介紹了清潔技術(shù)和制造方面的重大進步，其中包括200 千瓦太陽能電池陣列和鋰離子電池系統(tǒng)等。

微型電網(wǎng)可以獨立于主要的公用電網(wǎng)運行，提供可靠、低碳排放的能源。普林斯頓電力系統(tǒng)的DRI 與柴油或者汽油AC發(fā)電機相兼容，也可使用光伏(PV)或者風電輸入。使用DRI 的小型社區(qū)可以減少對電網(wǎng)的依賴，減少碳足跡并降低公用設(shè)施成本。此外，DRI 還能為電網(wǎng)服務(wù)和光伏提供面向電動車的存儲和充電服務(wù)。

賽靈思Spartan 技術(shù)

為了充分滿足工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的需求，像普林斯頓電力系統(tǒng)這樣的企業(yè)充分利用賽靈思目標設(shè)計平臺(TDP)等靈活開發(fā)工具的優(yōu)勢，并得到其豐富的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計服務(wù)支持。在這種情況下，工程設(shè)計團隊面臨的第一個挑戰(zhàn)是決定如何擴展DRI 系統(tǒng)中數(shù)字信號處理器的輸入和輸出，以及如何實現(xiàn)并行工作的控制和通信接口。PDS Consulng 可為各種市場的可編程數(shù)字系統(tǒng)提供設(shè)計服務(wù)，其中包括航空航天與軍用、廣播、工業(yè)、科研和醫(yī)療等。該公司以賽靈思聯(lián)盟計劃成員的身份為這個項目提供工作支持。

PDS 咨詢團隊可提供現(xiàn)場實際操作系統(tǒng)調(diào)試和PCB 啟動，以及非現(xiàn)場RTL和IP 設(shè)計等服務(wù)。此外，我們還向普林斯頓電力系統(tǒng)的開發(fā)人員提出建議如何實現(xiàn)面向他們綠色電源控制算法的系統(tǒng)控制接口。最終，工程師選擇將賽靈思Spartan? XC3SD3400A FPGA 與DSP相結(jié)合，當作主系統(tǒng)控制組件(圖3)。

Spartan-3A FPGA 具有豐富的SelecOTM 功能，能夠為實現(xiàn)方案帶來高度的靈活性，對于觸發(fā)信號和ADC 輸入通道而言尤為如此。賽靈思Spartan-3A 系列因其FPGA 允許進行現(xiàn)場設(shè)計升級，可避免高昂的初始成本和冗長的開發(fā)周期，對比傳統(tǒng)ASIC 固有的低靈活性，因而可完美替代ASIC。Spartan-3A 支持的集成技術(shù)可讓普林斯頓電力系統(tǒng)面向綠色能源轉(zhuǎn)換的專利控制算法成為現(xiàn)實。

實現(xiàn)DRI 系統(tǒng)的接口需要300 多組I/O，該接口能夠以超過900kbps 的速率訪問8MB 閃存、256Mb SDRAM 以及USB/RS-232。此外，團隊還充分利用了Spartan 架構(gòu)中固有的大量高速分布式32 位雙端口RAM 的優(yōu)勢?？膳渲眠壿媺K(CLB)查找表作為雙端口RAM 使用，可高效地在本地存儲ADC 提供的全新能源波形采樣，同時可讓DSP 讀取此前的采樣波形，以及PicoBlaze ?嵌入式處理器分析來自第二個端口的新值。

賽靈思FPGA 的優(yōu)勢

普林斯頓電力系統(tǒng)的算法需要進行大量的計算，這只能由浮點DSP 才能完成，但FPGA 具有很多DSP 不具備的特性。賽靈思FPGA 的一些特性非常適用于這個普林斯頓電力系統(tǒng)項目，其中包括多電壓、多標準SelecTIO I/O 引腳;可配置邏輯塊;block RAM;以及可實現(xiàn)大量可編程觸發(fā)信號的存儲器接口等。這些信號生成和執(zhí)行脈沖序列，用于觸發(fā)IGBT 等功率電子開關(guān)，并控制負責在每個脈沖或定制高速串行接口上讀取重要系統(tǒng)測量值的大量高速ADC 通道。

FPGA 不僅幫助普林斯頓電力系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)了完美符合其特定要求的定制外設(shè)，同時還為輸入值的處理提供了更充裕的計算資源，否則這些處理工作將需要由DSP 完成。基于Sparant-3FPGA 的設(shè)計能完成多個流程：使用連接到DSP 的ADC 的讀取值來完成系統(tǒng)錯誤檢查;實現(xiàn)時鐘驅(qū)動工作，比如在必要時精準地讀取ADC;完成ADC 值的平均計算。

如果沒有FPGA，這其中的一些功能要求就無法實現(xiàn)。其它功能將需要在DRI 的控制板上安裝更多的組件，或者需要更加復(fù)雜的軟件架構(gòu)。普林斯頓電力系統(tǒng)的團隊知道應(yīng)盡量避免出現(xiàn)后一種情況，因為控制板是DRI 系統(tǒng)的核心。

普林斯頓電力系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)理Frank Hoffman 指出：“雖然現(xiàn)在越來越多的DSP 能夠提供之前沒有的外設(shè)，但FPGA 的使用仍具有重要意義。隨著每一代產(chǎn)品的面世， 從Spartan-3 到Spartan-6，F(xiàn)PGA 內(nèi)部的計算資源數(shù)量不斷增加，現(xiàn)在已經(jīng)可以把更多的計算工作分配給FPGA。這就意味著可以用更快的速度運行我們復(fù)雜的控制算法，從而改善生成的輸出質(zhì)量，比如DRI 的輸出。”

結(jié)果

一方面使用FPGA 的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯(快速原型設(shè)計、靈活架構(gòu)、用于快速系統(tǒng)內(nèi)調(diào)試的賽靈思ChipScopeTM 集成邏輯分析器等高級支持工具)，另一方面這項決定也對普林斯頓電力系統(tǒng)的結(jié)果(bottom line)造成了影響。