提升能源效率、提升生产效率与可靠性、工业4.0与物联网时代的加速发展，这三大因素极大推动了工业自动化市场的蓬勃发展。Altera公司亚太区工业业务部市场开发首席经理江允贵日前在接受媒体采访时称，开发满足工业系统关键需求的器件平台、提供更高效的设计工具与方法学，和包括SoC器件、参考设计、IP在内的完整解决方案，将是Altera未来面向工业自动化市场的三大策略。
 Altera公司亚太区工业业务部市场开发首席经理江允贵 |
Mini-Delta Robot
江允贵提到的Mini-Delta Robot其实是Pick & Place摆放型机械手臂。根据市场调查，2013年全球共出货约18万只工业机器人，中国市场增速最快。除了劳动力缺乏因素外，汽车、智能手机等行业的快速增长，都极大的拉动了对工业机器人的市场需求。目前，市场中以3-6轴SCARA或Delta机械手臂为主，主控平台以X86架构和高端DSP为主。
他向媒体展示了基于Altera Cyclone V最新的Pick & Place Mini-Delta Robot样品，它全长约1.65米，重140公斤，主要用于对速度和位置的精确控制，典型运动方式包括下跳棋、边界定位(Border Tracking)和圆周运动(Circular Motion)。该机械臂主站控制功能由基于Cyclone V SoC的开发板实现，从站部分处理器由两颗FPGA加一颗DSP构成，并以200W以太网伺服驱动，采用了目前最受欢迎的EtherCAT工业以太网协议。
基于Altera Cyclone V最新的Pick & Place Mini-Delta Robot样品
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PLC/HMI
灵活性、可扩展性、集成化和安全性是目前工业界对PLC技术提出的要求。目前大部分国内PLC厂商产品都是面向中低端应用，实现方式通常以一颗MCU/DSP搭配一颗FPGA为主，而未来如果要增加运动控制功能以及HMI，那么能够集成上述三种功能的单芯片方案将更受欢迎。江允贵称，尽管目前也有客户在工业4.0时代采用MCU进行分布式控制，但它通常都针对低端、价格敏感型应用，而在比较复杂的中高端应用中，FPGA仍然是首选。而且，FPGA可以采用硬件方式对资料进行加密，相比软件加密方式更为安全。
马达控制(Motor Control)
对于所有的马达制造商而言，最大的挑战来自三方面：1. 性能的提升，例如更少的控制回路、支持工业以太网协议、软硬件加速等；2. 降低成本的同时实现差异化，包括用最少的器件实现最多的功能、平衡基于模型的设计流程、多轴控制；3. 实现功能性安全。
“目前的马达伺服驱动系统大多数仍在采用单芯片控制单轴的传统做法，出于成本考虑，这将无法应对未来多轴马达系统的需求。”江允贵表示，Altera已经在Cyclone V SoC中高度集成了工业以太网、编码器接口、功能安全、算法等功能，并在此基础上推出了以Cyclone V SoC为基础的四轴马达控制的参考设计，其核心部分来自以FFT为基础的“振动抑制”算法。他解释说，由于任何马达加工过程中都会产生谐振、共振，必须要求处理芯片能够自动量测振动频率并予以消除，因此Altera以开源方式推出了整套解决方案。
以Cyclone V SoC为基础的四轴马达控制的参考设计
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工业以太网
智能制造的一大特点是“网络化”，即如果我们成功把基于物联网的服务整合进工业4.0，将极大地扩展这种潜力。这也同步开启了将大量由不同自动化系统生成的数据移至云端的趋势，以便进行高级数据分析，用于机器诊断、预防性维护以及工业过程优化。随着自动化系统及其相关的传感器/传感器网关连接至云端，半导体器件的用量将会大幅增多，将有不同的器件用于实现连通性，这包括传统的现场总线、以太网、以及无线射频方式。
“目前为止，一个很好理解的事实是，工业以太网正成为工厂自动化的主流技术。”江允贵说，“然而，没有引起同样重视的是，这一通信技术需要在供应商系统中实现，不同的方案会造成系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。”他列举的某些影响工业以太网系统设计的因素包括嵌入式通信协议、工业以太网标准的快速发展，以及向千兆以太网的发展等。
与现场总线协议相似，目前市场上有很多类型的工业以太网协议。但这些标准并没有在市场上合并，驱动系统供应商必须能够支持6 到8个标准，才能将其产品销售到全球不同的工厂中。而驱动和I/O模块的另两个发展趋势则是通信功能的深度嵌入、以及向千兆以太网发展。这些变化要求半导体厂商能够提供从模块到器件，再到芯片集成功能，并在产品生命周期内同时具备硬件和软件可编程能力。
工业以太网将实现30%以上的增长率，动力来自马达驱动、PLC和IO模组
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功能安全(Functional Safety)
功能安全更强调对器件、传感器、网络传输失效性的防范、分析与处理。在整个未来发展方向，系统级功能安全会更受重视。为简化并加速客户的安全认证过程，Altera最新版功能安全数据套装均通过了TüV Rheinland的认证，包括Altera器件、诊断和标准知识产权(IP)，例如Nios II处理器等、FPGA设计流程、Quartus II软件等开发工具。
经过认证的安全完整性Level 3(SIL3)功能安全数据套装缩短了IEC 61508开发时间，降低了安全关键工业应用的认证风险，例如，工业伺服和逆变驱动器、安全器件以及自动控制器等。Altera方面称，自2010年以来，大量客户一直使用这一套装来开发工业应用、ISO 26262认证的汽车应用、以及医疗设备、军事和航空航天系统应用等。
Altera为功能安全提供从方法学、工具到IP的完整方案
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以太网冗余(Redundant Switch HSR/PRP)
“为什么我们需要冗余通信方案？”江允贵对此解释说，由于可靠性在工厂自动化过程中非常关键，它不允许丢包、断线等现象的发生，因此目前只有并行冗余协议(PRP)和高可用性无缝冗余(HSR)两种协议可满足上述要求。前一标准设定了具有冗余开关的星形拓扑，因此，每一节点有两个通路，而后者可以采用星形或者双向环形拓扑。
Altera与业界领先的网络设备和知识产权(IP)供应商Flexibilis进行了合作，采用千兆交换功能—Flexibilis的冗余交换(FRS)，同时支持了PRP和HSR协议标准。“这一方案没有许可协商、没有前端许可成本、没有单片版税报告。”江允贵说，FRS IP可在Cyclone IV、Cyclone V和Cyclone V SoC器件上灵活的实现3到8个端口，所有端口全双工1000 Mbps (GMII1)和10/100 Mbps (MII2)，并兼容IEEE 802.3 Ethernet & IEEE 1588 PTP协议。
PRP和HSR冗余标准不同的网络拓扑
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