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摘要：大约三分之一的嵌入式设计人员考虑在嵌入式应用中采用FPCJA，他们认为在设计中使用FPCJA过于昂贵。但是，从系统级了解总体拥有成本（TCo）（由产品生命周期中的开发、改进、替换和维护成本来衡量），您会发现FPCJA是分立微控制器（MCU）/数字信号处理器（DSP）/ASSP产品灵活的竞争方案。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269811.htm
关键词：嵌入式；FPCJA；工业以太网
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.004
引言
工业自动化和过程控制生产商一直面临持续的全球竞争和经济压力，商业模式和利润不断受到威胁，不得不应对成本挑战，包括：
利润和研发投入；
产品及时面市压力以适应经济状况的变化；
高效使用有限的资源以更新和替换现有产品，或者发布新产品；
管理产品生命周期。
本文使用一个设计实例来帮助包括系统、硬件和软件工程师在内的设计人员理解怎样利用Altera Cyclone和MAX 10 FPGA来降低总体拥有成本（TCO），它由系统生命周期内的开发、改进、替换和维护成本来衡量。如图1所示，较低的TCO直接提高了毛利润，从而减缓了当今大部分设计团队所面临的压力。
FPGA降低了TCO
为阐述Altera Cyclone和MAX 10FPGA是怎样降低TCO的，本文使用驱动控制应用程序（图2）作为一个实例，用于解决用户可能面临的工业设计难题。MCU和DSP是目前这种运动/驱动控制体系结构的基础，同时FPGA体系结构发展很快。MCU/DSP体系结构有很好的用户基础，其成熟的体系结构、开发工具以及运动控制算法主要用于单轴驱动应用中。驱动系统越来越复杂，驱动控制轴数量也越来越多，产品功能在增加，MCU/DSP体系结构在性能上很快便不能满足要求，无法灵活地应对市场需求的变化。随着系统性能的提高，设计人员只能提高MCU/DSP频率，优化某一点的软件算法。
为解决这一问题，设计人员使用多个DSP器件，结合DSP和MCU器件，或者同时使用MCU/DSP器件以及FPGA来划分其设计的性能和功能。虽然MCU/DSP体系结构能够在一定程度上重新使用代码，但是，重新使用经过高度优化的代码会付出很大的劳动，很难进行划分并将其应用到新器件中。
过渡到工业以太网
工业网络过渡到基于以太网的网络，通常需要将驱动系统连接至这些工厂网络。而MCU和一些较新的数字信号处理器能够支持（标准）具有软件开销的以太网TCP/IP，这种组合会有问题，原因如下：
大部分MCU带宽不足，大部分数字信号处理器不能在处理工业以太网和现场总线协议的同时完成驱动控制。
MCU在其PWM输出上进行精确运动控制的能力有限。
很多DSP器件无法满足TCP/IP堆栈要求，因为其体系结构缺少支持TCP/IP所需要的字对齐功能。
这些难题意味着设计人员不得不使用更多的MCU、ASSP或者FPGA器件以连接目前的产品和工业网络。缩短产品面市时间
使用一个或者多个MCU或者DSP器件实现驱动控制功能，考虑额外的网络和安全要求，这都会将开发时间延长18到24个月。额外的时间意味着提高了研发成本，有可能降低收益和利润。当电路板上增加额外的元器件时，也会增大产品的BOM成本。使用现有软件
软件工程师可以把他们的MCU/DSP经验应用到可编程嵌入式CPU上，例如，Altera的双核ARM Cortex-A9 MPCore，Nios II嵌入式处理器，ARM Cortex-Ml和Freescale的ColdFireVl内核，这些都可以与Altera FPGA-起使用。
当今电子产品的功能要比10年前强大得多，而且更加灵活和复杂，包括使用处理器、操作系统和应用软件所实现的功能。很多产品已经发展到软件设计上的投入时间要比硬件设计多出很多人工年。这表明，考虑到产品更新，选择的处理器如果不支持与当今系统相同的操作系统，会需要进行大量的软件导出工作，导致工程在器件选择和灵活性上受到很大限制。
对于硬件设计人员，具有嵌入式处理器的FPGA器件的优势是非常明显的。很多操作系统公司提供全面支持，对功能进行改进，因此，很多软件工程师开始采用基于FPGA的系统，发挥其优势，延长产品生命周期。硬件和软件工程师需要进行一定的投入来学习C程序软件编程和FPGA设计的VHDL编程。但是，一旦设计人员决定采用FPGA设计方法，FPGA比仅采用MCU和DSP器件的解决方案性价比更高，更灵活。对多个设计进行修改
以本文使用驱动为例，如果从这一基本平台开发的y产品具有不同的特性，那么，设计团队必须首先在每块电路板的x器件上实现其硬件和软件，花费t时间，然后，对这些产品例化硬件和软件y次，花费t2时间来完成多个产品。这带来的成本因素是（（x×t）×（y×t2））。设计团队已经知道这一方法并不简单，产品无法迅速面市，不能降低包括开发、改进、支持、维护和替换成本等在内的产品生命周期成本。
为简化这一过程，设计人员可以利用Cyclone系列体系结构，设计支持多条产品线（SKU）和多种功能的通用硬件平台（如图3）。在最初设计基础上，对于每一后续产品，基于FPGA的产品支持工程师重新配置Cyclone系列FPGA，不需要重制PCB（印制板），节省了设计团队数月的工程工作时间。
考虑驱动生产商提供支持多种网络协议的产品这一实例，例如EtherCAT、PROFINET （RT/IRT）和Modbus/TCP等。MCU/DSP解决方案不仅需要额外的器件来支持通信通道，而且还需要三块电路板。对于设计人员，开发或者许可协议专用MACIP（如果需要）和协议专用堆栈，三块电路板的成本会高达$300K（每块电路板$100K），而且还要考虑相应的软件开发成本。 但是，设计人员可以使用Cyclone或者MAX 10 FPGA，在相同的FPGA上集成驱动控制和工业以太网，使用相同的硬件平台支持多条产品线（SKU）和所需要的功能。在前面提到的实例中，不需要开发三块电路板（每一IE协议标准一块），供应商在产品中使用很少的元器件和PCB，节省了$150K到$200K的MCU/DSP开发成本，显著降低了BOM成本，由于减少了PCB电路板设计，生产商也简化了与产品存储和运输相关的物流过程。考虑到所有开发资源和时间因素后，FPGA设计方法有助于工程师克服（（x×t）×（y×t2））成本问题。
当设计发挥了FPGA器件的最大能力后，设计人员可以将设计移植到高密度器件或者重新编译设计，迅速采用其他的Altera FPGA。从另一角度看，这还是一种快速更新方法，使设计人员能够集成功能，在电路板上减少甚至不采用MCU、DSP和其他元器件。发挥较长生命周期的优势
产品可靠性有利于降低长期TCO。而且，与Altera FPGA相比，很多MCU和DSP器件的生命周期要短得多，通常在5到7年范围内，这是因为它们的供应商会比Altera更快停止供应成熟器件，如图4所示。Altera的策略是支持较长的产品生命周期，一般能够达到15年。处理器的支持
对于出于性能原因而需要外部主机处理器的应用，设计人员可以采用主流体系结构，例如，Intel ATOM处理器和其他基于PCI Express（PCIe）的处理器。设计人员可以利用这类处理器体系结构强大的软件回显系统。他们还可以使用这些处理器提供的高速PCIe接口，与I/O辅助芯片进行通信，集成外设和I/O阵列，支持各种工业以太网协议、SATA和其他IP。图5所示为灵活的Altera FPGA I/O辅助芯片体系结构。
3D打印：90%是快速原型，DDM有潜力
迎九
3D打印的主流应用有快速原型、快速制造以及个人应用等。
“尽管3D打印已有30多年的历史，但是实际上真正看到其价值，也就是近几年，尤其是在中国也就是近一两年的事。”Stratasys大中华区总经理汪祥艮称，2014年，中国的3D打印已走向小学、幼儿园（巧克力打印）；在高精尖领域，这一两年，3D打印已用于航空航天。
我国的中央经济会议提出生产小型化、智能化、专业化将成为产业组织新特征。由此，智能制造、3D打印技术将是不可或缺的。目前的问题是：3D打印涉足领域非常宽泛，但是还没有形成一个规范化的行业标准。
另外，在中国，90%以上都是用3D打印机做快速原型，主要还是设计环节的快速原型。不过，在3D打印中，DDM（数码直接制造）所占的比重越来越大，在更大程度上会推动3D打印机应用。DDM即做终端产品，是供终端用户直接使用的，而不是供快速原型进行功能、结构、外观测试用的。
DDM适合小批量、个性化制造。今天主要是三类：夹具和固定装置；用于生产的快速模具；最终使用部件。DDM需求的潜力非常大。
从销售层面，3D打印机公司Stratasys的发展可见一斑。亚太区是Stratasys全球增长最快的区域，中国是亚太区增长最快的区域。2014年从硬件角度来看，中国已经连续几个季度超过日本。但是整体销售收入，日本还是比中国大，一个非常重要的原因是耗材，日本单台设备的平均耗材量是中国的几倍。
3D打印机的技术方向如何？硬件本身的功能越来越强，使用越来越便利，耗材种类越来越多。
现在非常时尚的一种说法是智能手机配合3D打印。一些智能手机已有3D扫描功能，如果加上3D打印、建模。对于非专业应用，可以通过智能手机实现前期数据的输入，再传播到云端或者直接去进行3D打印输出。
关键词：嵌入式；FPCJA；工业以太网
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.004
引言
工业自动化和过程控制生产商一直面临持续的全球竞争和经济压力，商业模式和利润不断受到威胁，不得不应对成本挑战，包括：
利润和研发投入；
产品及时面市压力以适应经济状况的变化；
高效使用有限的资源以更新和替换现有产品，或者发布新产品；
管理产品生命周期。
本文使用一个设计实例来帮助包括系统、硬件和软件工程师在内的设计人员理解怎样利用Altera Cyclone和MAX 10 FPGA来降低总体拥有成本（TCO），它由系统生命周期内的开发、改进、替换和维护成本来衡量。如图1所示，较低的TCO直接提高了毛利润，从而减缓了当今大部分设计团队所面临的压力。
FPGA降低了TCO
为阐述Altera Cyclone和MAX 10FPGA是怎样降低TCO的，本文使用驱动控制应用程序（图2）作为一个实例，用于解决用户可能面临的工业设计难题。MCU和DSP是目前这种运动/驱动控制体系结构的基础，同时FPGA体系结构发展很快。MCU/DSP体系结构有很好的用户基础，其成熟的体系结构、开发工具以及运动控制算法主要用于单轴驱动应用中。驱动系统越来越复杂，驱动控制轴数量也越来越多，产品功能在增加，MCU/DSP体系结构在性能上很快便不能满足要求，无法灵活地应对市场需求的变化。随着系统性能的提高，设计人员只能提高MCU/DSP频率，优化某一点的软件算法。
为解决这一问题，设计人员使用多个DSP器件，结合DSP和MCU器件，或者同时使用MCU/DSP器件以及FPGA来划分其设计的性能和功能。虽然MCU/DSP体系结构能够在一定程度上重新使用代码，但是，重新使用经过高度优化的代码会付出很大的劳动，很难进行划分并将其应用到新器件中。
过渡到工业以太网
工业网络过渡到基于以太网的网络，通常需要将驱动系统连接至这些工厂网络。而MCU和一些较新的数字信号处理器能够支持（标准）具有软件开销的以太网TCP/IP，这种组合会有问题，原因如下：
大部分MCU带宽不足，大部分数字信号处理器不能在处理工业以太网和现场总线协议的同时完成驱动控制。
MCU在其PWM输出上进行精确运动控制的能力有限。
很多DSP器件无法满足TCP/IP堆栈要求，因为其体系结构缺少支持TCP/IP所需要的字对齐功能。
这些难题意味着设计人员不得不使用更多的MCU、ASSP或者FPGA器件以连接目前的产品和工业网络。缩短产品面市时间
使用一个或者多个MCU或者DSP器件实现驱动控制功能，考虑额外的网络和安全要求，这都会将开发时间延长18到24个月。额外的时间意味着提高了研发成本，有可能降低收益和利润。当电路板上增加额外的元器件时，也会增大产品的BOM成本。使用现有软件
软件工程师可以把他们的MCU/DSP经验应用到可编程嵌入式CPU上，例如，Altera的双核ARM Cortex-A9 MPCore，Nios II嵌入式处理器，ARM Cortex-Ml和Freescale的ColdFireVl内核，这些都可以与Altera FPGA-起使用。
当今电子产品的功能要比10年前强大得多，而且更加灵活和复杂，包括使用处理器、操作系统和应用软件所实现的功能。很多产品已经发展到软件设计上的投入时间要比硬件设计多出很多人工年。这表明，考虑到产品更新，选择的处理器如果不支持与当今系统相同的操作系统，会需要进行大量的软件导出工作，导致工程在器件选择和灵活性上受到很大限制。
对于硬件设计人员，具有嵌入式处理器的FPGA器件的优势是非常明显的。很多操作系统公司提供全面支持，对功能进行改进，因此，很多软件工程师开始采用基于FPGA的系统，发挥其优势，延长产品生命周期。硬件和软件工程师需要进行一定的投入来学习C程序软件编程和FPGA设计的VHDL编程。但是，一旦设计人员决定采用FPGA设计方法，FPGA比仅采用MCU和DSP器件的解决方案性价比更高，更灵活。对多个设计进行修改
以本文使用驱动为例，如果从这一基本平台开发的y产品具有不同的特性，那么，设计团队必须首先在每块电路板的x器件上实现其硬件和软件，花费t时间，然后，对这些产品例化硬件和软件y次，花费t2时间来完成多个产品。这带来的成本因素是（（x×t）×（y×t2））。设计团队已经知道这一方法并不简单，产品无法迅速面市，不能降低包括开发、改进、支持、维护和替换成本等在内的产品生命周期成本。
为简化这一过程，设计人员可以利用Cyclone系列体系结构，设计支持多条产品线（SKU）和多种功能的通用硬件平台（如图3）。在最初设计基础上，对于每一后续产品，基于FPGA的产品支持工程师重新配置Cyclone系列FPGA，不需要重制PCB（印制板），节省了设计团队数月的工程工作时间。
考虑驱动生产商提供支持多种网络协议的产品这一实例，例如EtherCAT、PROFINET （RT/IRT）和Modbus/TCP等。MCU/DSP解决方案不仅需要额外的器件来支持通信通道，而且还需要三块电路板。对于设计人员，开发或者许可协议专用MACIP（如果需要）和协议专用堆栈，三块电路板的成本会高达$300K（每块电路板$100K），而且还要考虑相应的软件开发成本。 但是，设计人员可以使用Cyclone或者MAX 10 FPGA，在相同的FPGA上集成驱动控制和工业以太网，使用相同的硬件平台支持多条产品线（SKU）和所需要的功能。在前面提到的实例中，不需要开发三块电路板（每一IE协议标准一块），供应商在产品中使用很少的元器件和PCB，节省了$150K到$200K的MCU/DSP开发成本，显著降低了BOM成本，由于减少了PCB电路板设计，生产商也简化了与产品存储和运输相关的物流过程。考虑到所有开发资源和时间因素后，FPGA设计方法有助于工程师克服（（x×t）×（y×t2））成本问题。
当设计发挥了FPGA器件的最大能力后，设计人员可以将设计移植到高密度器件或者重新编译设计，迅速采用其他的Altera FPGA。从另一角度看，这还是一种快速更新方法，使设计人员能够集成功能，在电路板上减少甚至不采用MCU、DSP和其他元器件。发挥较长生命周期的优势
产品可靠性有利于降低长期TCO。而且，与Altera FPGA相比，很多MCU和DSP器件的生命周期要短得多，通常在5到7年范围内，这是因为它们的供应商会比Altera更快停止供应成熟器件，如图4所示。Altera的策略是支持较长的产品生命周期，一般能够达到15年。处理器的支持
对于出于性能原因而需要外部主机处理器的应用，设计人员可以采用主流体系结构，例如，Intel ATOM处理器和其他基于PCI Express（PCIe）的处理器。设计人员可以利用这类处理器体系结构强大的软件回显系统。他们还可以使用这些处理器提供的高速PCIe接口，与I/O辅助芯片进行通信，集成外设和I/O阵列，支持各种工业以太网协议、SATA和其他IP。图5所示为灵活的Altera FPGA I/O辅助芯片体系结构。
3D打印：90%是快速原型，DDM有潜力
迎九
3D打印的主流应用有快速原型、快速制造以及个人应用等。
“尽管3D打印已有30多年的历史，但是实际上真正看到其价值，也就是近几年，尤其是在中国也就是近一两年的事。”Stratasys大中华区总经理汪祥艮称，2014年，中国的3D打印已走向小学、幼儿园（巧克力打印）；在高精尖领域，这一两年，3D打印已用于航空航天。
我国的中央经济会议提出生产小型化、智能化、专业化将成为产业组织新特征。由此，智能制造、3D打印技术将是不可或缺的。目前的问题是：3D打印涉足领域非常宽泛，但是还没有形成一个规范化的行业标准。
另外，在中国，90%以上都是用3D打印机做快速原型，主要还是设计环节的快速原型。不过，在3D打印中，DDM（数码直接制造）所占的比重越来越大，在更大程度上会推动3D打印机应用。DDM即做终端产品，是供终端用户直接使用的，而不是供快速原型进行功能、结构、外观测试用的。
DDM适合小批量、个性化制造。今天主要是三类：夹具和固定装置；用于生产的快速模具；最终使用部件。DDM需求的潜力非常大。
从销售层面，3D打印机公司Stratasys的发展可见一斑。亚太区是Stratasys全球增长最快的区域，中国是亚太区增长最快的区域。2014年从硬件角度来看，中国已经连续几个季度超过日本。但是整体销售收入，日本还是比中国大，一个非常重要的原因是耗材，日本单台设备的平均耗材量是中国的几倍。
3D打印机的技术方向如何？硬件本身的功能越来越强，使用越来越便利，耗材种类越来越多。
现在非常时尚的一种说法是智能手机配合3D打印。一些智能手机已有3D扫描功能，如果加上3D打印、建模。对于非专业应用，可以通过智能手机实现前期数据的输入，再传播到云端或者直接去进行3D打印输出。