fpga 可配置应用平台给工业产品带来的设计便利

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FPGA 可配置应用平台给工业产品带来的设计便利姜承湘（ Sting Jiang ）

京微雅格市场经理[email protected]

mailto:[email protected]

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京微雅格（北京）科技有限公司 2Capital Microelectronics

Funded in 2005

Research center in Santa Clara, CA USA

Sales Office : Beijing, Shenzhen, Shanghai

HQ Beijing, China

CME HeadquartersDesign Service CentersSales Offices

• First commercialized CAP: integrating FPGA / CPU / ADC / ASIC / SRAM / Flash on one chip with ‘customized configurability and programmability’

• Intellectual property: Filed over 140 patents in US & China, 66 patents have been issued/granted• Value proposition and vision: Filling the gap in PLD, ASIC, ADC and CPU. As the first FPGA

vendor in China, the CME develops and sells FPGA chips and solutions based on independently developed CAP technology

• Capital structure: Privately held with investment from Agate Logic and Beijing Government

京微雅格公司简介除美国以外唯一自主研发并成功量产 FPGA 产品的公司

http://www.spil.com.tw/


CME-River

Differentiated Products( 产品差异化 )Wearable Devices ( 可穿戴 )Mobile Devices ( 移动 )Smart Devices ( 智能 )Low Power( 低功耗 )Cost-Effective( 高性价比 )And more ……

CME-CloudCME-Mountain

Telecom: PABX, Repeater, …Industry Control: Sewing Machine, PLCVideo Processing: Surveillance, Video Card Display: LCD/LED PanelConsumer Electronics: Smart Home, Car InfotainmentBroadcasting: STBMedical: X-ray, Blood Analysis, Breath DeviceInformation security: Security TeleCom Equipment

4G-LTE (4G 无线网络 )Cloud Computing( 云计算 )100G Backbone(100G 骨干网 )Medical Equipment( 医疗设备 )Smart Vision( 智能视觉 )And more……

100G OTN

Cloud4G-LTE BBU & RRU

Smart Surveillance Ultrasound

FXO/FXS card IPPBX

Smart Home

LED displayMotion Control

Pulse Oximeter

Diagnostic Tools Data Encryption Device

DSC

3D Devices

Smart Phone

ToyInternet of Things

Car DVR

Wearable Devices (watch, glasses, etc.)

京微雅格产品线


什么是 FPGA （ Field Programmable Gate Array ）

FPGA

CPLD


FPGA 结构—芯片（ CME-M7 ）PLB ： Programmable Logic Block

EMB ： Embedded Memory Block

18x18 DSP Block

MCU &Memory& Peripherals


FPGA 结构— PLB （ CME-M7 ）


CPLD 结构（补充材料）


CME-M7 可配置应用平台简介 — 器件资源


CME-M7 可配置应用平台简介 — 器件资源 Continued


CME-M7 可配置应用平台简介 — 器件封装


CME-M7 可配置应用平台简介 — 系统框图


应用案例


PLC 可编程控制器应用案例

管理网（MNET）

系统网（SNET）

控制网（CNET）

IO板

PLC板

工程师站/操作员站

主控单元

IO输入模块 IO输出模块

执行器件过程对象变送器/仪表/结果

DCS 分布式控制系统框图


PLC 可编程控制器应用案例

工程师站，备份主控器……


CME-M7 方案优势

集成 ARM Cortex-M3 ， 300MHz 性能集成 CAN 2.0 A/B ， 10/100/1000M 以太

网控制器，再加上灵活可重构的 FPGA 逻辑，为工业现场总线提供支持

集成 DDR2/3 Memory 控制器集成 12K LUTs FPGA ，适合于连接不同的

智能模块，提供 PLC 之间的联网通信协议，实现运动控制算法等。

CME-M7 高集成度的特点，适应 PLC 小型化的发展趋势。

向高集成、小型化方向发展：当前中小型PLC 比较多，为了适应市场的多种需要，今后 PLC 要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。小型 PLC 由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型 PLC ，最小配置的 I/O 点数为8 ～ 16 点，以适应单机及小型自动控制的需要。

PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力：为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程 I/O 模块、通信和人机接口模块等。这些带 CPU 和存储器的智能 I/O 模块，既扩展了 PLC 功能，又使用灵活方便，扩大了 PLC 应用范围。加强 PLC联网通信的能力，是 PLC 技术进步的潮流。PLC 的联网通信有两类：一类是 PLC 之间联网通信，各 PLC 生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是 PLC 与计算机之间的联网通信，一般 PLC 都有专用通信模块与计算机通信。

趋势优势


运动控制市场概况运动控制市场趋势

2014 年，在美国半导体机械市场的复苏将推动运动控制收入的增长； 2014 年，在亚洲机床市场预计将恢复。全球范围内，运动控制市场预计将增长超过 8 ％，将达 $133 亿美元。


运动控制方案框图

CME-M7

(Cortex-M3 Embedded)

驱动电路X 轴

驱动电路Y 轴

ADC4

Channels

PCor

U 盘

DAC2

Channels

SDRAM

伺服电机

伺服电机

USB 2.0 OTG

LCD Panel


CME-M7 方案优势

集成 ARM Cortex-M3 （ 300MHz ），再加上 FPGA 逻辑，可实现高速高精度运动插补

集成 USB 2.0 OTG ，可以直接读取 U盘数据实现脱机工作，也可以连接 PC实现联机操作

支持 SDRAM 控制器，集成 DDR Memory 控制器（为后续扩展提供可能）

支持连接多组 ADC 以及 DAC ，实现精确的多轴伺服控制

集成 CAN 2.0 A/B ， 10/100/1000M 以太网控制器，再加上灵活可重构的FPGA 逻辑，为工业现场总线提供支持

高速度高精度：十二五规划指出要加快我国高端装备制造业的发展。就运动控制领域而言，高速度、高精度无疑将会应用在高端设备和精密仪器制造之上

工业以太网：EtherCAT 、 Powerlink 、 ProfinetIRT 、 SERCOSⅢ 等众多实时以太网技术仍处于并存发展的态势，技术的不断发展和日益开放的技术环境，使运动控制用户的选择越来越简单易行

趋势优势


HMI 市场概况2009-2018 年中国 HMI 市场规模及增长率


HMI 方案基于 CME-M7 的 HMI 方案


CME-M7 方案优势

集成 ARM Cortex-M3 ， 300MHz 性能高效实现各类 HMI指令解析

集成 USB 2.0 OTG ，方便直接使用 U盘进行快速的固件升级

集成 CAN 2.0 A/B ，适用于工业控制场合

集成 10/100/1000M 以太网控制器，可通过网络访问 HMI 人机界面

集成 12K LUTs FPGA 方便各种功能的扩展

行业应用专用产品：特别对于过程控制自动化领域，现场总线和以太网的支持能力显得更为重要，随着硬件成本的进一步降低和软件通用性的普及，集成众多通讯方式的主机产品将会越来越多，并在各自的应用领域中得到升级、深化

开放式 HMI 产品：可以扩展增强监视、控制、通讯、运动、视觉等功能

趋势优势


纺织机市场概况2012 年纺机行业市场概况

数据来源：中国行业研究网

15%10%

43%

14%

18%

纺纱机械化纤机械织造机械染整机械非织造设备

这是我们后面所关注的横机、圆机等设备的市场，约为 400 亿左右。

对于纺织行业，我们重点关注纺织机械行业，我们来看一个数据， 2012 年 1-12月，中国纺织机械行业实现主营业务收入 1105.90 亿元纺织机械又分为：纺纱机械、化纤机械、织造机械、染整机械、非织造设备等


纺织机方案框图


CME-M7 方案优势

全电脑横机逐步替代手摇横机，并且以每年 10万~20万套的速度增长，而国产横机也存在价格优势，所占比重不断扩大，全电脑横机是未来的趋势

在全自动的织造机械中，以横机、圆机、袜机等为主要的机种，这些机种中都有 FPGA 的身影

CME-M7 的高集成度可以替代原来系统中显示板中的 ARM11 ，以及主控板上的 ARM Cortex-M3 和 FPGA ，整体 BOM 成本低。

CME-M1 用在选针板以及气阀板上，主要是采用 QFN68封装，体积小，性价比高，可靠性比 MCU 高。

FPGA+MCU 的单芯片解决方案具有灵活度高，扩展性较强，方便用户后期的升级。

趋势优势


LED 显示


LED 市场概况2012-2013 年中国 LED 行业总产值（亿元， % ）

数据来源：高工 LED行业研究所


LED 市场概况2010-2013 年中国各领域 LED 应用产值情况（亿元）

数据来源：高工 LED行业研究所


LED 显示方案框图

CME-M7(FPGA + Cortex-M3)

SDRAM/DDR2/3Memory

Ethernet PHY

74HC245

Ethernet

USB 2.0 OTG

NandFlash/SD

USB Flash disk

PCIO to LED HUB Connector

74HC245

……

Sensor


LED 显示的趋势及 CME-M7 方案优势

集成 ARM Cortex-M3 ，实现 USB 2.0 以及以太网协议，并实现节目的特效处理；

集成 USB 2.0 ，可实现对 U 盘的访问，进行节目升级；

集成 10/100/1000M 以太网控制器，可通过网络进行节目升级及远程控制；

集成 DDR Memory 控制器，作为图像数据的帧缓存

FPGA 实现对 LED 的扫描控制，实现高灰阶，高刷新率，高亮度

LED显示由单双色向全彩发展 LED 控制卡接口多样化：包含 USB

2.0 接口，网络接口， UART 接口，485 接口等等

高灰阶，高刷新率，高亮度

趋势优势


CME-M7 可配置应用平台优势•单芯片集成 FPGA 以及 ARM Cortex-M3 （ 300MHz ）， ARM Cortex-M3 不占用 FPGA逻辑资源（与 FPGA软核 CPU相比）；减少器件数量，减少外部走线，提高产品可靠性和稳定性，提高产品的可扩展性。高集成度

•集成了丰富外设接口及硬核控制器： USB 2.0 OTG ， 10/100/1000M Ethernet MAC ， DDR Memory 控制器， I2C ， SPI ， UART ， 32 bit Timer ， CAN 2.0 A/B ， RTC ， ADC

丰富的外设

•相同 LUTs下有更多的 EMB 块数、 EMB 总容量、 DSP 、 PLLFPGA 逻辑资源

•独有的 LQFP216 以及 LQFP256封装，在不使用 BGA封装的前提下，给用户提供更多的 IO•相同 FPGA容量下可用 I/O 最多：达 310 个（ BGA484 ）封装

•256 bit-AES防止设计被克隆复制安全加密

fpga 可配置应用平台给工业产品带来的设计便利

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