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方案

面向工業應用的產品開發需要在時限和產品規范不斷變化的環境中進行廣泛的研究和準備。雖然這個領域的產品上市時間不像消費類電子產品那樣快，但是產品必須迅速生產交付，并具備盡可能多的用于發展新一代產品的關鍵性功能、特性和潛能。企業力爭成為各自所在競爭領域的行業領導者，特別是在綠色能源等全新市場，因其尚處于起步階段，沒有預定的行業領導者，從而需要先驅者設計、開發和推出全新的產品。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為這些能夠改善能源發電、分配、監控、計量和消費等領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換產品和替代能源系統制造商——普林斯頓電力系統（PPS）的工程師展示了他們最新的綠色電源產品。這種需求響應逆變器（DRI）是PPS、美國能源部和桑迪亞國家實驗室太陽能電網整合系統（SEGIS）為期三年的合作成果。

開發出的多端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勢。該DRI 配備多個AC和DC 端子，能夠將電源路由到電網、微型電網、DC 能源存儲系統或動態負載上。可編程電源曲線和充電曲線可提高對發電機、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可最大限度地提高可靠性。

普林斯頓電力系統展示了DRI 的眾多特性：提高電網的互聯性和效率，增強可再生能源系統的性能，以及幫助電動車和分布式發電系統實現更高的集成度。DRI 是該公司“日光島”微電網演示（圖2）的組成部分。這個演示詳細地介紹了清潔技術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等。

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

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

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

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

實現DRI 系統的接口需要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 架構中固有的大量高速分布式32 位雙端口RAM 的優勢。可配置邏輯塊（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 的優勢
普林斯頓電力系統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；以及可實現大量可編程觸發信號的存儲器接口等。這些信號生成和執行脈沖序列，用于觸發IGBT 等功率電子開關，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測量值的大量高速ADC 通道。

FPGA 不僅幫助普林斯頓電力系統設計和實現了完美符合其特定要求的定制外設，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錯誤檢查；實現時鐘驅動工作，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。其它功能將需要在DRI 的控制板上安裝更多的組件，或者需要更加復雜的軟件架構。普林斯頓電力系統的團隊知道應盡量避免出現后一種情況，因為控制板是DRI 系統的核心。

普林斯頓電力系統的研發經理Frank Hoffman 指出：“雖然現在越來越多的DSP 能夠提供之前沒有的外設，但FPGA 的使用仍具有重要意義。隨著每一代產品的面世， 從Spartan-3 到Spartan-6，FPGA 內部的計算資源數量不斷增加，現在已經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雜的控制算法，從而改善生成的輸出質量，比如DRI 的輸出。”

結果
一方面使用FPGA 的技術優勢非常明顯（快速原型設計、靈活架構、用于快速系統內調試的賽靈思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的結果（bottom line）造成了影響。