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.
