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FPGAを用いたモータ制御回路のモデルベース開発事例

富士通アドバンストテクノロジ株式会社複合回路技術統括部）LSI技術開発部大友尉央（[email protected]）

0

2016/06/28MathWorks Automotive Conference 2016 講演資料


1.会社紹介

2.LSI／FPGA設計・開発

3.モータ制御回路開発

4.まとめ

5.MathWorks様への要望

Agenda

1


1.会社紹介



4.まとめ


Agenda

2


会社概要

社名 : 富士通アドバンストテクノロジ株式会社（略称: FATEC）

設立 : 2007年10月01日

従業員数 : 約400名

所在地 : 川崎市中原区【富士通㈱川崎工場内】

事業内容 :

•電子機器の設計、開発、製造、販売ならびに保守業務

•開発環境、製造環境等を開発・提供、および関連するコンサルティング業務

1. 会社紹介

3


製品＆サービス

開発プラットフォーム、設計受託とテクノロジ、設計～製造受託の3分野で、お客様のものづくりを支援する企業です

弊社ホームページより（http://www.fujitsu.com/jp/group/fatec/）

1. 会社紹介

4


所属部署

複合回路技術統括部）LSI技術開発部

業務内容

富士通社内向けのLSI/FPGAの設計・開発

•旧富士通半導体部門のマイコン向けマクロ開発

•携帯電話などの無線通信向けLSI開発

•高速光伝送装置などの通信装置向けLSI開発

近年は社外のお客様向けの設計・開発も携わっている

1. 会社紹介

5


1.会社紹介



4.まとめ


Agenda

6


開発フロー

2. LSI／FPGA設計・開発

要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

7


開発フロー


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

『開発のインプットとして、要求仕様をお客様より提供いただき、開発に着手するプロセス』

→ お客様とともに要求仕様からの検討も可能

8


開発フロー


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

『要求仕様をどのようなアルゴリズムで開発していくか、アルゴリズムをどのようなアーキテクチャで実現するかを検討・仕様化するプロセス』

→ 長年のLSI／FPGA設計・開発の経験による強み・仕様検討技術（アルゴリズム検討、アーキテクチャ検討、HW／SW分割検討）・仕様設計技術（ディジタル信号処理、回路小型化、低消費電力化）・モデル開発技術（C言語、MATLAB®、高位設計）

9


開発フロー


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

『仕様設計をもとに実現する回路を設計し、仕様設計プロセスにて作成したモデルを用いて、モデルと回路の一致検証を行なうプロセス』

→ さまざまな言語、ツールに対応可能・ハードウェア設計言語（Verilog、VHDL、SystemC）・ハードウェア設計／検証ツール（シミュレーション、合成）

10


開発フロー


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

『回路情報をもとにチップ上に回路の配置・配線を行ない、LSI/FPGAの製造を行なうプロセス』

→ 弊社では、以下の内容を担当・LSI開発：仮合成のタイミング確認まで・FPGA開発：合成、配置配線、回路データ作成まで

11


開発フロー


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

『LSI/FPGAを実機にて検証を行なうプロセス』→ LSI/FPGAの実機検証経験あり

・実機検証に必要な各種計測機器を保有

◆富士通社内で開発している装置に搭載されるFPGAに関して、各FPGAベンダーと連携して部品採用可否の先行評価→ FPGAデバイス、開発環境など、非常に精通した部署

12


FPGAの概要

Field Programmable Gate Array

基本ゲート（AND, NOT）のブロックを多数集積し、スイッチで相互接続した演算ユニットで構成

プログラムによりスイッチなどの設定を変更することで、回路のハードウエア構成を変更できる

マイクロプロセッサーに比べて、処理が高速で消費電力が低いという特徴がある


日経エレクトロニクス 2016年1月号「FPGAビッグバン、データ中心時代の主役へ」より

13


FPGAの用途は急激に拡大■従来・携帯電話基地局、テレビなどの家電製品

■近年・大規模／超高性能向け

石油探索、金融計算、クラウド・小型／低消費電力向けADAS（先進運転支援システム）

■今後・科学技術計算、機械学習、ロボット、ウェアラブル端末・・・



14


FPGAが各分野におけるキーデバイスに①前述の通り、用途は急激に拡大②微細化技術が限界に近づいている

ことに加えて、マルチコア化の限界も指摘され始めている

③演算性能がCPUやGPUを超え始めている

④ハードウェア設計言語のみでなく、C, C++言語でもFPGA設計できる開発環境を整備

→ ハードウェア設計者に限らず、ソフトウェア設計者も利用可能



15


1.会社紹介



4.まとめ


Agenda

16


開発背景

3. モータ制御回路開発

・社外のモータ制御装置を開発しているお客様より

・『マイコンを用いてソフトウェアにて実現していた機能を、制御周期

高速化のため専用ハードウェアに置き換えて機能を実現したい』

という要望

・トライアルとしてお客様指定のFPGAボードにて、早期の試作／

検証を希望

17


開発要求


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

18


開発要求


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

◆開発インプット・要求仕様書（I/F情報、精度情報など）・モータ制御システムのSimulink®モデル（お客様の方でモータ制御システムをMATLABでモデリング開発）

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開発要求


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

◆FPGA開発（合成、配置配線、回路データ作成）・FPGA ：ザイリンクス社製 Zynq®-7000 All Programmable SoC・開発環境：ザイリンクス社 Vivado® Design Suite

20

（http://japan.xilinx.com/products/silicon-devices/soc/zynq-7000.html）


3. モータ制御回路開発FPGA（Zynq-7000 All Programmable SoC）

内部構成図

モータ制御回路

ARMコア

未使用

プロセッシングシステムブロック

プログラマブルロジックブロック

ARMコア、各種外部インタフェースを内蔵

ユーザが任意に作成したディジタル回路を実装

21


開発要求


要求

仕様

仕様

設計

回路

設計

／

検証

物理

設計

／

製造

実機

検証

◆お客様指定のモータキット付きFPGAボードを使用・FPGAボード：アヴネット社製 ZedBoard・モータキット：アナログ・デバイセズ社製 AD-FMCMOTCON1-EBZ ボード

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（https://wiki.analog.com/_detail/resources/eval/user-guides

/mc_system.jpg?id=resources:eval:user-guides:ad-fmcmotcon1-ebz）

3. モータ制御回路開発モータキット（アナログ・デバイセズ社製）

FPGA（Zynq-7000）

FPGAボード（アブネット社製 ZedBoard ）

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開発背景


・社外のモータ制御装置を開発しているお客様より

・『マイコンを用いてソフトウェアにて実現していた機能を、制御周期

高速化のため専用ハードウェアに置き換えて機能を実現したい』

という要望

・トライアルとしてお客様指定のFPGAボードにて、早期の試作／

検証を希望

リファレンスとなるSimulinkモデルがあり、

早期の開発が必要なことから、開発期間の短縮を期待して、

HDLコード作成は、HDL Coder™を採用し、開発を受託

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分類／重要度必須強く推奨

推奨参考

アーキテクチャ設計

ブロック設定

データ型設定

速度・面積の最適化


開発前準備

HDL Modeling Guidelineの確認・MathWorks Japanより発行・HDL Coderユーザ向けのドキュメント・モデルの記述についてルールを規定


分類／重要度必須強く推奨

推奨参考

アーキテクチャ設計 ● ● ● ●

ブロック設定 ● －－－

データ型設定 ● －－－

速度・面積の最適化 ● －－－

→ ●項目についてプロジェクトに適用25


開発内容詳細

■モータ制御システムのモデル修正

•ハードウェア化するブロックの抽出

•HDL生成を考慮したモデルの修正

•HDL生成未対応のSimulinkライブラリ

•HDL生成未対応ライブラリ利用の確認

•Double型から固定小数点化モデルへの変更

■HDL CoderでのHDLコード生成■HDL Verifier™での協調検証■FPGAへの回路実装■実機検証


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モータ制御システムのモデル修正

・モータ制御システム全系の検討用に作成されたモデル

・ハードウェア化する部分以外のモデルも含まれている

・HDL生成未対応のSimulinkライブラリが利用されてる

・現状のままでは、HDL CoderでのHDLコード生成は、不可

・ハードウェア化するブロックの抽出

・HDL生成を考慮したモデルの修正

3. モータ制御回路開発（開発内容詳細）

27



ハードウェア化するブロックの抽出

お客様より提供いただいたモータ制御システムのSimulinkモデル

から、ハードウェア化するモータ制御回路ブロックを抜き出し

抜き出したハードウェア化するモータ制御回路ブロックをまとめて、

1つのサブシステム化


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お客様提供のモータ制御システムのSimulinkモデル図

モータ

HW化

HW化HW

化

HW化

ハードウェア化対象ブロック抜き出し

インバータ


29


弊社にて作成したSimulinkモデル図

インバータ

HW化

モータ

ハードウェア化対象ブロックサブシステム化


30



HDL生成を考慮したモデルの修正

HDL生成未対応のSimulinkライブラリ

→ 利用可能なライブラリは、ライブラリブラウザーにて確認


31




HDL生成未対応ライブラリ利用の確認

→ コンフィギュレーションパラメーターで【HDL生成可チェック】


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HDL生成を考慮したモデルの修正HDL生成未対応ライブラリ利用の確認

→ コンフィギュレーションパラメーターで【HDL生成可チェック】

・HDLコード生成チェックレポートがWebブラウザにて表示され、

HDL生成未対応ライブラリの利用（Error）を確認

・下記Error機能をHDL生成対応ライブラリを用いてモデル修正

算術関数（Math Function: square）

三角関数（Trigonometric Function: sin, cos）

平方根関数（sqrt）


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モデル修正の例：三角関数（Trigonometric Function: sin）

ブロックパラメータ（三角関数ライブラリ）

ブロックパラメータ（1-D Lookup Tableライブラリ）

サイン波形情報

1-D Lookup Tableライブラリを用いて、サイン波形情報をテーブル化→ 三角関数ライブラリと同等の機能を実現

モデル全体で三角関数を使用している箇所が複数あり→ 1つのテーブルを共有して、回路規模を抑えている

34




Double型から固定小数点化モデルへの変更

・ハードウェア化のため、固定小数点化モデルに変更

・各データの必要ビット数やデータ範囲、精度誤差の許容範囲は、

要求仕様書に定義

Double型モデルと固定小数点化モデルの差分比較を

Simulink上でシミュレーションし、要求仕様書の許容範囲内で

あることを確認


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弊社にて作成したハードウェア化対象ブロックの最上位階層のSimulinkモデル図


サブブロック

サブブロック

・各データのビット数やデータ範囲、精度誤差の許容範囲が、要求仕様書に定義・Double型から固定小数点化モデルを変更

サブブロック

サブブロック

36



Double型モデルと固定小数点化モデルの差分比較シミュレーションの結果例

37


HDL CoderでのHDLコード生成・HDLコードを自動生成する他ツールの利用経験あり

（可読性が非常に悪かった）

・HDL Coderは、どの程度の記述レベルとなっているか興味

生成されたHDLコードの中身を確認

・可読性がそれほど悪くなく、人の目でも意外と読める

・型通りのコード生成でなく、回路化を考えられている


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assign Operator2_relop = max <= in;assign switch_compare_2 = Operator2_relop > 1'b0;assign Operator1_relop = min >= in;assign switch_compare_1 = Operator1_relop > 1'b0;assign Switch1_out = (switch_compare_1 == 1'b0 ? in : min);assign Switch2_out = (switch_compare_2 == 1'b0 ? Switch1_out : max);assign out = Switch2_out;

→ 可読性が悪くない

HDL CoderでのHDLコード生成の例（1）【大小比較処理】

最大値（max）

最小値（min）

入力

最大値比較

最小値比較

出力（min≦入力≦max）

Switch選択信号 0のとき →【F】側を出力選択信号 0以外 →【T】側を出力


39


assign Gain_cast = {{2{Delay_out[15]}}, {Delay_out, 14'b00000000000000}};assign Gain_out = Gain_cast[30:14];

→ 回路化を考慮・論理シフト演算処理（×[1/2]）にて、×[1/2]処理を実現・乗算処理を未使用

HDL CoderでのHDLコード生成の例（2）【乗算処理（×1/2）】

×[1/2]（論理シフト演算）

×[1/2] 処理


40


HDL Verifierでの協調検証・HDLワークフローアドバイザーの【すべて実行】にて、生成HDLと

モデルのCosimulation（協調検証）を実行

・HDLシミュレータは、Mentor Graphics社のQuesta® SIM

・生成HDLとモデルの動作一致を確認


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FPGAへの回路実装・実機検証の際に、モータ制御回路ブロックへのパラメータ設定や

各種信号モニタを、パソコンにて制御

・パソコンとのインタフェース回路（PC I/F）の実装が必要

・SimulinkでPC I/Fブロックのモデル開発を検討

・早期の試作／検証

・PC I/Fブロックは、過去の開発にて設計経験あり

・その資産を流用し、ハードウェア言語にて直接に設計


42

（http://japan.xilinx.com/products/silicon-devices/soc/zynq-7000.html）


モータ制御回路

ARMコア

未使用

PCI/F

USBUART変換

パソコン

FPGAボードモータキットボード


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実機検証

お客様と合意の実機検証項目

パソコンからモータ制御回路ブロックへの動作指示設定に対して、期待通りのモータ回転動作を実機にて確認

モータ制御回路ブロックに修正の入る手戻り無し


→ 開発期間を短縮化でき、また、モデルベース開発における前プロセスでの検証の有効性を確認

44


1.会社紹介



4.まとめ


Agenda

45


HDLコード作成にHDL Coderを採用したモデルベース開発にて、生産性と品質の向上

•開発期間：従来手法と比べ、25%程度の短縮

•品質向上：実機検証プロセス時に不具合なし

MATLAB, Simulink, HDL Coderを利用した開発経験の向上

→ Simulinkモデルからハードウェア化を検討されているなら、今回の開発フローと同様に、ご協力が可能

4. まとめ

要求仕様

仕様設計

回路設計／検証

物理設計／製造

実機検証

従来

今回要求仕様

物理設計／製造

仕様設計

回路設計／検証

実機検証

46


1.会社紹介



4.まとめ


Agenda

47


MATLABは、それなりに高い（1）

5. MathWorks様への要望

・今回購入したライセンスは、数セットのみ

・常時利用可能なユーザを増やしたいが、ライセンス数がネック

ライセンスフリーでSimulinkモデル図を確認できるビューア

『Simulink Viewer（仮称）』、

または、ライセンスフリーでSimulinkモデル図を編集のみ可能な

エディター『Simulink Editor（仮称）』を希望

⇒ さらなるユーザの拡大が図れる

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MATLABは、それなりに高い（2）


今回のような開発では、お客様とMATLABライセンスの構成を

合わせる必要有り

購入金額の範囲内で、MATLABライセンスを自由に組み替え

できる購入形態を希望

⇒ お客様ごとにライセンス構成を合わせて準備するといった手間が

なくなり、開発に注力できる

49


HDL Modeling Guideline


・HDL Coderユーザにとって、非常に有効なガイドライン

・項目によっては、ツール上でError/Warningを出す項目と、

Error/Warningが出ないで、設計者が意識しておく必要がある

内容と、混在している

ツールの機能として、HDL Coderのツール実行時にガイドライン

項目を確認するチェッカー機能の追加を希望

⇒ ツール任せにでき、ユーザの負荷軽減が図れる

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HDL Coderの機能安全規格での認証


HDL Coderは、機能安全規格の認証が取れていない

Embedded Coder®のような安全規格での認証を希望

IEC 61508: 2010（SIL 1-3）

ISO 26262: 2011（ASIL A-D）

EN 50128 : 2010（SIL 1-4）

⇒ HDL Coder生成RTLの品質向上

HDL Coder利用のユーザ拡大

（http://jp.mathworks.com/products/iec-61508/supported/index.html）

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