מאת: קספר פורר, זיילינקס אירלנד, ריצ’ארד טובין, זיילינקס אירלנד

חטיבת שירותי התכנון של Xilinx השתמשה בחבילת האבלואציה SP605 ויישומי רכב מתקדמים כדי ליצור מערכת עצמאית וחכמה לבקרת הינע

יצרניות של מערכות הינע חכמות, כמו גם שחקניות אחרות בענפי הרכב וה-ISM, עומדות מול אינספור אתגרים חדשים כשהן מנסות להיענות לדרישות החדשות של השוק ולעמוד בתקנים המתפתחים חדשות לבקרים. ביישומים תעשייתיים וביישומי רכב מודרניים נדרשים המנועים לספק נצילות מרבית, רעש אקוסטי נמוך, טווח מהירות רחב ואמינות, וכל זאת במחיר נוח. על רצפת המפעל היום, ציוד מונע מנועים צורך שני שלישים מאנרגיית החשמל הכוללת, מה שמוליד צורך דחוף בפיתוח מערכות חסכוניות יותר באנרגיה. יכולת הפעלה הדדית היא דרישת תכנון קריטית נוספת כיוון שבמקרים רבים יחידת הינע תשמש כרכיב אחד בתוך תהליך רחב היקף. גורם מרכזי שמשפיע על הדרישה הזו הוא שפע פרוטוקולי הקישוריות הקיים בתעשייה (אפיקי השדה) ופרופילי ההתקנים הקשורים אליהם, שבאמצעותם מתקננים את הייצוג של יחידות הינע ברשת. אפיקי השדה עצמם (לדוגמה CAN ו-Profibus) הם מגוונים ועל אף השם הגנרי הזהה שלהם הם אינם ברי החלפה. בניסיון לצמצם עלויות ולשפר את התקשורת בין בקרים תעשייתיים החליטו המפתחים של אפיקי שדה לפתח פתרונות קישוריות תעשייתיים מבוססי איתרנט וכמה פרוטוקולים חדשים כדוגמת EtherCAT, Profinet ו-EtherNet I/P, בין השאר, שהתפתחו אף הם בשנים האחרונות. עם זאת ישנם גם חסרונות, ביניהם העובדה שמדובר בטכנולוגיות שיש ביניהן שונות שבגללה נאלצות יצרניות להיאבק עם הצורך לתמוך בכל השחקניות הראשיות בתחום.
חטיבת שירותי התכנון של זיילינקס, XDS, התמודדה עם כל הסוגיות הללו כאשר פיתחה אבטיפוס של פלטפורמת בקרת הינע מבוססת FPGA התומכת בממשקי ה-CANopen ו-EtherCAT עבור שחקנית ראשית בזירת ה-ISM. התפקיד שלנו היה לתכנן וליישם מערכת מודולרית ומתפקדת לגמרי שתתאים לשימוש חוזר בדור הבא של מערכות ההינע החכמות של הלקוחה. ה-Xilinx® Spartan®-6 FPGA SP605 היא פלטפורמת תכנון ייעודי בסיסית עם ערכת אבלואציה, אשר ביחד עם IP מצד שלישי סיפקה אלגוריתמי בקרת הינע חדשניים ביותר ותמיכת קישוריות תעשייתית בארכיטקטורת מערכת מודולרית שאפשרה יצירה של תכנון יעיל ומדרגי.

בחירת נתיב ה-FPGA
הפתרונות הקיימים של הלקוחה, המבוססים על מיקרו-בקרים, לא סיפקו את מה שהלקוחה רצתה יותר מכל: פלטפורמה מדרגית. מערכת בקרת הינע חכמה המבוססת על Spartan-6 FPGA מספקת את כל המדרגיות הנחוצה, הלוגיקה ועצמת המחשוב בשבב אחד יחיד, מה שמפחית עלויות ובמקביל מונע התיישנות. ניתן לשדרג פלטפורמה כזו לאורך שנים כדי להתאימה לתקנים החדשים ביותר של קישוריות תעשייתית כמו גם לאלגוריתמי בקרת ההינע היעילים ביותר. בנוסף, אפשרות התכנות מחדש המוטמעת ב-FPGAs מקלה על התאמה מיוחדת של מערכת בקרת הינע בסיסית יחידה במטרה לעמוד בדרישות הספציפיות של לקוחות ולאפשר אינגרציה פשוטה אל תוך הרשת התעשייתית הקיימת. בקצרה, ה-Spartan-6 FPGA עוזר לעמוד בכל הדרישות המאתגרות של המרחב התעשייתי.
למי שחדשים בעולם של תכנון מערכות מבוסס FPGA, כמו למשל הלקוחה שלנו, פלטפורמות התכנון הייעודי – ה-Targeted Design Platforms של זיילינקס מציעות את נקודת הפתיחה האידיאלית בכך שהן מספקות מערך חזק ויציב של אלמנטים בדוקים ומשולבים היטב המוכנים לשימוש “מהקופסה”. ניתן להוסיף לפלטפורמה הבסיסית מוצרי פלטפורמה ספציפיים לתחום וספציפיים לשוק ועל-ידי כך לבצע באופן אוטומטי חלק גדול עוד יותר של התכנון הסופי. תכנוני הייחוס הייעודיים הללו מקטינים את עקומת הלמידה בכך שהם מדגימים יישומי FPGA של תפיסות מהעולם האמיתי ומאפשרים ללקוחות “להיכנס” בתכנון ולפתח תכונות ייחודיות של המוצר הסופי שלהם.
הפתרון שלנו שילב את ערכת האבלואציה Spartan-6 SP605 עם מוצרים מצד שלישי – בעיקר לוח ה-NetMot EMC ו-IP מבית QDeSys בתוספת IP של קישוריות תעשייתית מבית Bosch ו-Beckhoff. לא זו בלבד שכל אבני הבניין הבסיסיות של המערכת הרצויה כבר היו מוכנות מרגע ההתחלה, אלא שיכולנו גם להמשיך עם פיתוח אבות טיפוס מבלי להזדקק ללוח FPGA מיוחד, מה שאפשר ללקוחה לאמת את ההיתכנות של הפלטפורמה החדשה הזו תמורת עלות מזערית. וכדי לשפר עוד יותר את זמן היציאה לשוק ולצמצם את הסיכונים הכרוכים בתכנון מערכת FPGA בפעם הראשונה ביקשה מאיתנו הלקוחה לא רק לספק את האבטיפוס הזה אלא בנוסף גם לתמוך באימוץ ה-FPGAs בדור הבא של מערכות ההינע החכמות שלה.
בסופו של דבר, גם המהנדסים וגם מנהליהם יצאו נשכרים מגישה זו. המהנדסים למדו תכנון מבוסס FPGA מהר יותר כשהם מצוידים בנהלי העבודה הטובים ביותר שנאספו מה-XDS, ואילו ההנהלה קיצצה גם את הזמן שנדרש כדי לספק את המוצר ובמקביל הפחיתה גם את הסיכונים העסקיים הנלווים.

אבטיפוס של מערכת בקרת הינע חכמה
תיק המוצרים של XDS מכסה את כל מחזור הפיתוח של תכנון FPGA, מיצירת המפרט ועד לקידוד, האימות, סגירת התזמון ואינטגרציית המערכת. על בסיס שנים של ניסיון בתכנון מערכות מעבדים משובצים ויישומי תוכנה, ביחד עם היכולת לשלב IP מצד שלישי, נהלים עבודה בדוקים בניהול פרויקטים ותהליך פיתוח באישור ISO9001 מלא, הצליחה XDS לספק את האבטיפוס של מערכת בקרת ההינע החכמה בשלב מוקדם מאוד במחזור פיתוח המוצר של הלקוחה. פלטפורמת התכנון הייעודית המיוחדת שנוצרה כתוצאה מכך אפשרה למהנדסים של הלקוחה לערוך היכרות עם תהליכי תכנון FPGA והודות לכך למטב גם את עצמתה של הטכנולוגיה החדשה במוצרי הדור הבא שלהם.

מבט לעתיד
הביצוע המוצלח של האבטיפוס של מערכת בקרת ההינע החכמה הדגים ללא ספק את כוחם הפוטנציאלי של FPGAs בקישוריות איתרנט תעשייתית, אפיקי שדה ובקרת הינע. אמנם נדרשת עוד עבודה עד שניתן יהיה לפתח מוצר עם מלוא התכונות, אך XDS “תפרה” פלטפורמת תכנון ייעודי ושיפרה אותה עבור הלקוחה ויצרה פתרון ייחודי המותאם לצרכים שיקצץ באופן משמעותי את הסיכונים והמאמצים הנדרשים כדי להגיע למוצר המהונדס הסופי. בשלב הבא בוחנת XDS את האפשרות להרחיב את פלטפורמת התכנון הייעודי הזו כדי לתמוך בצבר ובליבת IP של Profinet, ובכך להראות שהגישה המודולרית ונהלי התכנון שאומצו הם אכן אפקטיביים ביותר עבור הלקוח.

מאת: אמיר בר שלום. “אני אספר לך סיפור על השוק הישראלי. לפני כעשר שנים, עוד שהייתי בתפקיד מהנדסת פיתוח אפליקציות, הגעתי לכאן להעביר השתלמות באחת המכללות בנושא DSP. הרצאה שכולה הייתה תוכנה”. כך פותחת אליזבת דה פרייטס, מנהלת השיווק במזרח ארופה והמזרח התיכון, של סדרת המיקרו החדשים ממשפחת   SITARA  בטקסס אינסטרומנטס. “ביום השני להשתלמות ניגש אלי אחד התלמידים ואמר לי בשקט אבל באופן נחרץ מאד, הבנו! את יכולה להתקדם. הייתי מופתעת מאד, אני מעבירה הרצאות כאלה בכל העולם, ובאף מקום לא נתקלתי בתגובה כזו. אני מדברת על המישור החיובי, לא השלילי. רמת הידע כאן היא מהגבוהות בעולם. הסכמתי איתו מיד,קצב הלימוד היה איטי מידי בשביל הישראלים, הערכתי מאד את הכנות ורמת הידע ואכן המשכתי הלאה” .
אליזבת דה פרייטס עובדת ב TI למעלה מ11 שנים. ביקורה הנוכחי בישראל התמקד בהצגת מעבדי המיקרו החדשים שהשיקה TI, ביניהם ה AM1810, ה AM3894 וה AM35/37xx, כולם מבוססי ARM ממשפחת SITARA . דה פרייטס שמכירה היטב את השוק הישראלי מתפקידיה הקודמים בחברה, רואה בישראל את אחת השווקים החשובים ל TI העולמית.

זה היה לפני כמעט עשור, מאז את חוזרת שוב ושוב לישראל. מהפרספקטיבה שלך איך היית מאפיינת את השוק הזה היום, בהשוואה למשל לשווקים אחרים שאת אחראית עליהם ב TI?
“הפיתוח הישראלי מאד מהיר ומתקדם ובעיקר יצירתי. יש מדינות שהקצב בהן איטי הרבה יותר. השוק הישראלי מאד דורש. אני משייכת את זה בעיקר לרמתו הגבוהה. זו הסיבה שיש לנו כאן צוות גדול מאד של TI. לענות ובמהירות לדרישות של שוק שמתאפיין ברמה הגבוהה ביותר של טכנולוגיה. כמובן שבעיני העולם השוק הבטחוני כאן נחשב למתקדם ביותר, ולחשוב מאד. יש כאן ידע עצום שבא לידי ביטוי בפיתוח בכל הקשור ל DSP, שמתפתח בשנים האחרונות גם לשווקים אחרים. דוגמא מצויינת לכך אפשר לראות בשוק הרפואי. יותר ויותר טכנולוגיה נכנסת היום לתחום הזה, ולא מעט ממנה מגיע מהשוק הבטחוני”.
זווית הראיה של דה פריטס מעניינת מאד. תוך כדי שיחה על השוק הישראלי אנחנו גולשים מהר מאד להבנתה את הסינרגיה שבין הטכנולוגיות. ללא ספק יש בכך להעיד על כיוון השוק.
“קח לדוגמא את מכונת הקפה כאן במשרד. יש לה מסך וסדרת כפתורי לחיצה. זה לא היה קיים לפני חמש עשרה שנה. אז הכל היה ידני מכני. אני מביטה על המצב הזה היום וחושבת הלאה. זו אחת השיחות העיקריות שלי עם הלקוחות, לאן הולך השוק. אםנמשיך את דוגמת המטבח, אני רואה את הכיוון במטבח שנשלט מרחוק על ידי טלפון סלולרי, ומקבל פקודות באס אם אס, להפעיל את התנור או לדווח לך על כך שנגמר החלב. זה נשמע עתידני ודימיוני אבל זה בהחלט כאן. הממשק קיים- סלולאר מחשב, הטכנולוגיה קיימת, ועכשיו צריך לפתח את המוצר.”

“למעשה כל מה שאליזבת מזכירה כאן, ומתארת כמדע דימיוני קיים. לTI יש פתרון לכל דרישה כזו. כל שנחוץ הוא פיתוח המוצר“, אומר משה הלל מנכ”ל TI ישראל. “האתגר הוא באינטגרציה של כל המרכיבים הללו למוצר אחד. אנחנו
ב-TI באים ללקוח עם מגוון הרכיבים הנכון ומלווים אותו בשלב האינטגרציה” .
ההערכה של דה פרייטס מדברת על כשנתיים וחצי עד שיתחילו ה”מוצרים החכמים” האלה לצאת לשוק הצרכני. לדעתה נדרש עדיין תהליך של הבשלת המוצר, והתאמת הטכנולוגיה . מעבר לכך קיים גם הליך רגולציה ותיקנון.
“יש היום באירופה מגמה של חסכון ביתי בחשמל. יש רכיב מיוחד שעוזר לדייר לזהות את צריכת החשמל של כל מכשיר, ובכך לנסות ולווסת אותה נכון יותר וחסכוני. אני למשל רואה בישראל הרבה מאד טכנולוגיות של אפיון המערכת. בסלולר, בגלישה באינטרנט או בדיבור. אני כאן בישראל כדי קודם כל להקשיב ללקוח. זה חשוב מאד להיות קשוב לצרכים, משום שהם יודעים לאן הם רוצים להגיע. “.

את יכולה לתת לי דוגמא על מקרה כזה שבו היום אתם משווקים רכיב על פי דרישה שהוצגה לפני שנים על ידי אחד הלקוחות שלכם?
“בהחלט כן. אחד ממוצרי הוידאו שלנו שיצא לאחרונה לשוק התחיל למעשה מדרישה של לקוח ישראלי. לפני שלוש שנים בערך, הוא הציג דרישה לרכיב שצריך לכלול תמיכה ברזולציית וידאו HD, ומולטי צ’אנל. כיום הרכיב כולל יכולות נוספות, אבל בהחלט ניתן לומר שאת היכולות הספציפיות שהזכרתי, פיתחנו לאור הדרישה. ויש גם את הצד השני. בכנות אני חייבת לומר, שלפעמים אתה מביט על דרישה מסויימת של לקוח בתמהון רב. בשוק שלנו אם אתה סקפטי אתה יכול להישאר רחוק מאחור”.
“זו נקודה חשובה מאד”, אומר משה הלל, מנכ”ל TI ישראל. בכל אפליקציה אתה צריך להביט על החומרה והתוכנה. בחומרה צריך להביט על המערכת, הSYSTEM. בתוכנה צריך להביט על השכבות. הדטה, הקונטרול והניהול. אנחנו מכוונים לתת את כל הרבדים האלה יחד . כלומר אנחנו מציעים פתרון שלם, לא רק רכיב בודד. זה מביא אותנו לשוק גדול יותר, ומעבר לכך חושף את המוצרים שלנו להרבה יותר אפליקציות. TI מספיק גדולה ומגוונת כדי להיות שם, השאיפה שלנו היא להיות בכל מוצר חדש שיוצא לשוק. אני רואה את עצמי באופן מטאפורי כספק חומרי בנין. אני מספק את הלבנים הנכונות, אני מספק את הפתרון בעוד מישהו אחר בונה את הבנין“.
דה פרייטס מביאה כדוגמא את ביקורה האחרון במזרח הרחוק. “ראיתי ילד קטן בן שלוש שניגש לאחד ממסכי הענק שהוצבו מחוץ לחנות אלקטרוניקה. הוא ניגש ישר למסך והחל לנסות ולהזיז עם האצבע את התמונה. הסתכלתי עליו מהופנטת. בזמני הילדים עבדו עם מקלדת. היום עם קונסולת המשחקים והטאץ’ של איי פון, הכל עבר לתנועה. ילד בן 3 לא יודע משהו אחר. זו הייתה מעין הוכחה בשבילי לאן השוק הולך, לזה קראתי קשב. לא רק ללקוח אלא גם לצורך המתפתח”.
מעבד המיקרו החדש בארכיטקטורת ARM® המקטין את צריכת ההספק והעלויות.
מעבד המיקרו (MPU) AM1810 בארכיטקטורת ARM® ממשפחת SitaraTM – הוא פתרון חדש בארכיטקטורת ARM9TM בשבב יחיד, עם ממשק PROFIBUS® משולב, הפופולארי ביותר בעולם, אשר משתמש בפרוטוקול Fieldbus לתקשורת בין פריטי ציוד אוטומציה בתעשייה. התקן משולב זה משמש להספק נמוך ומבטל את הצורך בהתקני PROFIBUS, ASIC או FPGA חיצוניים. בכך הוא חוסך משאבי זמן ועלויות פיתוח, תוך כדי שיפור ביצועי המערכות. מעבד המיקרו AM1810 בארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara הנו בעל ביצועים רבים התומכים במימוש של יישומים תעשייתיים, בין אם נדרש להם ממשק PROFIBUS או אם הממשק אינו נדרש. בין הדוגמאות ליישומים תעשייתיים שמתאימים היטב לשימוש ב–AM1810 בעל ארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara, נכללים בקרים מתוכנתים (PLC) או ממשקי אדם–מכונה (HMI).
בהשוואה לפתרונות בריבוי שבבים הנמצאים כיום בשוק, מעבד המיקרו AM1810 בארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara מחבר את ממשק PROFIBUS ישירות למקמ”ש RS–485, ומבטל את הצורך במעגלי ASIC או בהתקני FPGA.
מטפל המסגרות (frame handler) לזמן אמת של PROFIBUS, שמכונה Fieldbus Data Link (FDL), ממומש באמצעות יחידה לזמן אמת ניתנת לתכנות (PRU) המהווה חלק מההתקנים ההיקפיים שעל השבב של מעבד המיקרו AM1810 בארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara. יחידת PRU מחוברת באופן הדוק עם מעבד ARM באמצעות אפיק מערכת שעל השבב והתוצאה היא זמן מחזור בקרה קצר יותר וזמן תגובה משופר של המערכת המביאים לפעולת תקשורת המגיעה עד ל–12 מגה באוד, של התקנים היקפיים לא ממורכזים (DP) בטכנולוגיית PROFIBUS. ריבוי של אפשרויות זיכרון מאפשר ללקוחות להפעיל צומת PROFIBUS מבלי שיהיה צורך להשתמש בזיכרון חיצוני, תוך כדי כך שפעולת האתחול מתבצעת באמצעות זיכרון הבזק טורי והפעלה של PROFIBUS בזיכרון RAM פנימי. לפתרון יש גם שכבת הפשטה (abstraction) של מערכת הפעלה, אשר הופכת את מחסנית פרוטוקול PROFIBUS של התקני DP לבלתי תלויה במערכת ההפעלה, ומאפשרת גמישות שלמה בתכנון.

בנוסף לממשק PROFIBUS, מעבד המיקרוAM1810 בארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara, תומך גם בפרוטוקול EtherCAT® Master בחיבור port מסוג Ethernet המשולב. תמיכה זו מאפשרת למתכננים בתחום התעשייתי לפתח מוצרים עם תמיכה בריבוי פרוטוקולים.
“במרחב התעשייתי, תקן PROFIBUS הפך להיות שם נרדף לרישות אמין, ועם הסמכה כזו טקסס אינסטרומנטס מספקת ביטחון גבוה יותר לעובדה שהמוצר מהווה אכן חלופה איכותית לפתרונות קיימים”, אמר רם סאת’אפן, מנהל ציוד קצה תעשייתי בחברת טקסס אינסטרומנטס. “אנחנו נרגשים ביותר מהיותנו חברים בארגון PI ומהעובדה שאנו מוציאים לשוק התעשייתי את הפתרון זה, של מעבד המיקרו AM1810 בארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara לתקן PROFIBUS. המטרה שלנו היא לסייע בידי הלקוחות בהפחתה של עלויות החומרים ושטח המעגלים המודפסים, ובקיצור זמן התכנון. אנו בטוחים שהפתרון בשבב יחיד של טקסס אינסטרומנטס – מעבד המיקרו AM1810 בארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara לתקן PROFIBUS – יביא בדיוק לתוצאות האלו”.
לקוחות החברה יכולים להתחיל ולפתח את התכנונים שלהם כבר היום עם מודול ההערכה (EVM) – TMDXEVM1810 – במחיר של 995 דולר. ערכת פיתוח התוכנה כוללת את חבילת התמיכה במעגל בליבת Linux גרסה 2.6.33, בנוסף על Windows ® Embedded CE, כלי ביצוע קונפיגורצית PRU, רשת PRU CAN, מקמ”ש PRU UART והתקן הדגמה למסך מגע. בנוסף למודול ההערכה, לבית התכנון השותף של טקסס אינסטרומנטס – Critical Link LLC – יש מעגל פיתוח מבוסס תקני ETX תעשייתי באיכות ייצור עם מעבד המיקרו AM1810 בארכיטקטורת ARM ממשפחת Sitara, שאפשר להשיגו במחיר של 749 דולר, והוא כולל את חבילת התמיכה במעגל לליבת Linux לזמן אמת עם תוכנת ההדגמה וההערכה לממשק PROFIBUS.

מאת: אריק ויינשטיין. אריק שורן (Eric Schorn), סגן נשיא ומנהל חטיבת המעבדים בחברת – ARM ביקר לאחרונה בישראל כחלק מחיזוק הקשרים בין חברת ARM לתעשייה המקומית. בראיון סוקר אריק שורן את ההכרזות האחרונות של ARM למעבדים חדשים, מפת הדרכים למעבדי ARM ואיך הוא רואה את התחרות החדשה מול אינטל בתחום מעבדים בקצה הגבוה של הסקאלה.

אריק שורן הצטרף ל ARM לפני כ 12 שנה כמהנדס פיתוח ועבר מספר תפקידי ניהול עד לתפקיד סגן נשיא לשיווק ומנהל חטיבת המעבדים. (המשך…)

מאת: אריק ויינשטיין. דני בירן – סגן נשיא בכיר לשיווק ב ALTERA-, מהחברות המובילות בתחום רכיבי FPGA ו-CPLD, הגיע לישראל במסגרת ביקור שיועד לפגישות עם לקוחות החברה. עם מחזור מכירות שנתי של 1.2 מיליארד דולר ו-2700 עובדים ברחבי הגלובוס, סימנה החברה את הרבעון הראשון של 2010 כטוב ביותר בתולדותיה – מצויד ברוח גבית זו, פרס לפנינו בירן את משנתה השיווקית של החברה. (המשך…)