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)品的關鍵性功能、特性和潛能。企業(yè)力爭成為各自所在競爭領域的行業(yè)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(yè)領導者，從而需要先驅者設計、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(fā)電、分配、監(jiān)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(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，能夠將電源路由到電網(wǎng)、微型電網(wǎng)、DC 能源存儲系統(tǒng)或動態(tài)負載上?？删幊屉娫辞€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施成本。此外，DRI 還能為電網(wǎng)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(yè)產(chǎn)品設計的需求，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(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)提供設計服務，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)調試和PCB 啟動，以及非現(xiàn)場RTL和IP 設計等服務。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 支持的集成技術可讓普林斯頓電力系統(tǒng)面向綠色能源轉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 架構中固有的大量高速分布式32 位雙端口RAM 的優(yōu)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(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，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)設計和實現(xiàn)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?；赟parant-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(tǒng)錯誤檢查;實現(xiàn)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(xiàn)。其它功能將需要在DRI 的控制板上安裝更多的組件，或者需要更加復雜的軟件架構。普林斯頓電力系統(tǒng)的團隊知道應盡量避免出現(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，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(yōu)勢非常明顯(快速原型設計、靈活架構、用于快速系統(tǒng)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(tǒng)的結果(bottom line)造成了影響。