面向工业应用的产品开发需要在时限和产品规范不断变化的中进行广泛的研究和准备。虽然这个领域的产品上市时间不像消费类电子产品那样快,但是产品必须迅速生产交付,并具备尽可能多的用于发展新一代产品的关键性功能、特性和潜能。企业力争成为各自所在竞争领域的行业领导者,特别是在绿色能源等全新市场,因其尚处于起步阶段,没有预定的行业领导者,从而需要者设计、开发和推出全新的产品。成功不仅取决于倍受鼓舞、专心投入的工程师团队,高级计算技术和全新材料,同时还取决于有没有风险投资者或者机构为这些能够改善能源发电、分配、、计量和消费等领域充满前景的方法提供资助。

2011 年秋天,来自的高级电源转换产品和替代能源系统制造商普林斯顿电力系统(PPS)的工程师展示了他们最新的绿色电源产品。这种需求响应逆变器(DRI)是PPS、美国能源部和桑迪亚国家实验室太阳能电网整合系统(SEGIS)为期三年的合作。

开发出的多端DRI(图1)具有独特的灵活性,相比目前可用的逆变器拥有更高的可靠性、更高的效率和更低的成本等众多优势。该DRI 配备多个AC和DC 端子,能够将电源由到电网、微型电网、DC 能源存储系统或动态负载上。可编程电源曲线和充电曲线可提高对发电机、负载和电池的控制,从而确保更高的效率。此外,使用大容量、较长使用寿命的高级开关可最大限度地提高可靠性。

普林斯顿电力系统展示了DRI 的众多特性：提高电网的互联性和效率,增强可再生能源系统的性能,以及帮助电动车和分布式发电系统实现更高的集成度。DRI 是该公司"日光岛"微电网演示(图2)的组成部分。这个演示详细地介绍了清洁技术和制造方面的重大进步,其中包括200 千瓦太阳能电池阵列和锂离子电池系统等。

微型电网可以于主要的公用电网运行,提供可靠、低碳排放的能源。普林斯顿电力系统的DRI 与柴油或者汽油AC发电机相兼容,也可使用光伏(PV)或者风电输入。使用DRI 的小型社区可以减少对电网的依赖,减少碳足迹并降低公用设施成本。此外,DRI 还能为电网服务和光伏提供面向电动车的存储和充电服务。

为了充分满足工业产品设计的需求,像普林斯顿电力系统这样的企业充分利用赛灵思目标设计平台(TDP)等灵活开发工具的优势,并得到其丰富的生态系统设计服务支持。在这种情况下,工程设计团队面临的第一个挑战是决定如何扩展DRI 系统中数字信号处理器的输入和输出,以及如何实现并行工作的控制和通信接口。PDS Consulng 可为各种市场的可编程数字系统提供设计服务,其中包括航空航天与军用、、工业、科研和医疗等。该公司以赛灵思联盟计划的身份为这个项目提供工作支持。

PDS 咨询团队可提供现场实际操作系统调试和PCB 启动,以及非现场RTL和IP 设计等服务。此外,我们还向普林斯顿电力系统的开发人员提出如何实现面向他们绿色电源控制算法的系统控制接口。最终,工程师选择将赛灵思Spartan?XC3SD3400AFPGA与DSP相结合,当作主系统控制组件(图3)。

Spartan-3AFPGA具有丰富的SelecOTM 功能,能够为实现方案带来高度的灵活性,对于触发信号和ADC 输入通道而言尤为如此。赛灵思Spartan-3A 系列因其FPGA 允许进行现场设计升级,可避免高昂的初始成本和冗长的开发周期,对比传统ASIC 固有的低灵活性,因而可完美替代ASIC。Spartan-3A 支持的集成技术可让普林斯顿电力系统面向绿色能源转换的专利控制算法成为现实。

实现DRI 系统的接口需要300 多组I/O,该接口能够以超过900kbps 的速率访问8MB 闪存、256Mb SDRAM 以及USB/RS-232。此外,团队还充分利用了Spartan 架构中固有的大量高速分布式32 位双端口RAM 的优势。可配置逻辑块(CLB)查找表作为双端口RAM 使用,可高效地在本地存储ADC 提供的全新能源波形采样,同时可让DSP 读取此前的采样波形,以及PicoBlaze ?嵌入式处理器分析来自第二个端口的新值。

普林斯顿电力系统的算法需要进行大量的计算,这只能由浮点DSP 才能完成,但FPGA 具有很多DSP 不具备的特性。赛灵思FPGA 的一些特性非常适用于这个普林斯顿电力系统项目,其中包括多电压、多标准SelecTIO I/O 引脚;可配置逻辑块;block RAM;以及可实现大量可编程触发信号的存储器接口等。这些信号生成和执行脉冲序列,用于触发IGBT 等功率电子开关,并控制负责在每个脉冲或定制高速串行接口上读取重要系统测量值的大量高速ADC 通道。

FPGA 不仅帮助普林斯顿电力系统设计和实现了完美符合其特定要求的定制外设,同时还为输入值的处理提供了更充裕的计算资源,否则这些处理工作将需要由DSP 完成。基于Sparant-3FPGA 的设计能完成多个流程：使用连接到DSP 的ADC 的读取值来完成系统错误检查;实现时钟驱动工作,比如在必要时精准地读取ADC;完成ADC 值的平均计算。

如果没有FPGA,这其中的一些功能要求就无法实现。其它功能将需要在DRI 的控制板上安装更多的组件,或者需要更加复杂的软件架构。普林斯顿电力系统的团队知道应尽量避免出现后一种情况,因为控制板是DRI 系统的核心。

普林斯顿电力系统的研发经理Frank Hoffman 指出："虽然现在越来越多的DSP 能够提供之前没有的外设,但FPGA 的使用仍具有重要意义。随着每一代产品的面世, 从Spartan-3 到Spartan-6,FPGA 内部的计算资源数量不断增加,现在已经可以把更多的计算工作分配给FPGA。这就意味着可以用更快的速度运行我们复杂的控制算法,从而改善生成的输出质量,比如DRI 的输出。"

一方面使用FPGA 的技术优势非常明显(快速原型设计、灵活架构、用于快速系统内调试的赛灵思ChipScopeTM 集成逻辑分析器等高级支持工具),另一方面这项决定也对普林斯顿电力系统的结果(bottom line)造成了影响。