為了因應市場日益增加的要求，運動控制系統也變得越來越複雜。對更佳的能源效率、更多的功能性、更小的尺寸和更高度的整合性的需求不斷增長，促使設計人員找尋更具創新性的解決方案。至今，市面上的解決方案都涉及到在數位訊號處理器或微控制器上執行控制演算法。然而，為了達到複雜的電機控制演算法，如磁場導向控制，所需的反應時間要求，常常需要硬體加速。

除此之外，還需要類比電路來讀取感應器資料，決定位置和速度，檢測故障，監控溫度等等，同時還需要數位元連接來做為與系統其餘部分的介面。這種結合個別元件來實現的解決方案，在可靠性、整合度和成本方面都不盡理想。設計人員一直以來所欠缺的是一個能夠滿足所有這些要求的單晶片解決方案，而現在，直到SmartFusion混合信號FPGA的推出，終使設計人員的需求得到滿足。Microsemi的SmartFusion元件整合了下一代運動控制系統設計人員所需的三大元素─高性能的微控制器、高密度的FPGA架構，以及可程式類比─全部都在單一封裝中，從而讓設計人員能夠同時獲得高整合度和低成本的優勢。

在對更高能效、更小尺寸和額外屬性(如平滑性和精度)的要求推動之下，越來越多的應用開始採用同步電機，如無刷直流電機(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)。為了充分利用同步電機在效率、靜音工作和精度方面的優勢，設計人員需要找到能夠超越單個8位/16位微控制器的、更具創新性的控制解決方案。這些解決方案採用的微控制器可能會涉及到通過FPGA、高性能數位訊號處理器(DSP)，或數位信號控制器(DSC)等專用處理器來執行硬體加速。

要對電機進行精確控制，控制器必須從感測器那裡採集電機資料，基於回饋計算下一個命令，並根據計算結果控制電源。此外，任何運動控制系統都必須處理一些額外負荷，如與其它系統的通信。

促使控制功能日益複雜的市場壓力同樣也在推動對設計人員一直以來都在尋找的單晶片運動控制解決方案的需求。而Microsemi的 SmartFusion正是能夠滿足這一需求的一種單晶片器件，它整合了一個ARM Cortex-M3 微控制器內核、高性能 FPGA 結構和可程式設計類比資源，是業界首款單晶片運動控制解決方案。

運動控制的方向

在客戶需求和規範要求的雙重推動之下，提高運動控制的性能成為工業、醫療和消費電子領域眾多設計團隊的首要目標。這些設計團隊逐漸認識到，更先進完善的電機控制方案有助於大幅提高電機在轉矩、速度、馬力和效率等方面的性能。

對於眾多要求不高的應用，簡單的控制體系仍然足以敷用，但對開發更複雜先進產品的設計團隊來說，卻面臨著必須採用先進的演算法來控制PMSM和交流電機的挑戰。這些具挑戰性的電機控制演算法常常本身就十分複雜，並需要硬體執行，以減少計算時間，縮短回應時間。此外，必須同時結合類比和數位領域的回饋，才能準確評估出當前電機狀態。

這樣的設計常常是多軸性的，需要同時控制好幾個電機，以驅動三維空間定義的機械系統(如機械手)。而事實已證明，要實現這種程度的即時控制，其實超出了已有的任何單個現貨器件的能力範圍。

例如，PMSM(有時被稱為無刷交流電機)就帶來了一個複雜的控制問題。一般而言，使用PMSM的設計人員瞄準的目標都是超高水準的轉矩控制、平滑運動、精度、效率等。不過，要通過控制PMSM來實現這些特性是一項複雜的任務。PMSM不同於其同類產品(如梯形換相無刷直流電機)，其控制器必須執行複雜的正弦換相演算法才能實現這些出色的特性。而隨著SmartFusion的面世，這種解決方案成為可能。

SmartFusion

Microsemi的 SmartFusion器件整合了下一代運動控制系統設計人員所需要的三大元素：高性能微控制器、高密度FPGA架構，以及可程式設計模擬資源，所有這些都集成在單個封裝中，從而讓設計人員能夠同時獲得高集成度和低成本的優勢。

處理器內核

SmartFusion器件的核心是一個嵌入式ARM Cortex-M3處理器內核，而M3是全球最流行的32位處理器之一，這標誌著32位處理器與FPGA架構的第一次結合。除了支援即時操作系統(RTOS)運行的記憶體保護單元(MPU)之外，此內核還包含有一個嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，其能夠處理151個帶有32個優先順序的分立式中斷。這個32位RISC處理器具有單週期乘法器和硬體除法器，能夠提供大約125DMIPS的性能。

Cortex-M3內核周圍是眾多集成式外設：SPI、I2C、UART 序列埠、高達 512 KB 的嵌入式 FlashROM、10/100 乙太網 MAC、計時器、鎖相環、振盪器、即時計數器，以及外設 DMA 控制器。

該處理器與其外設經由一個被稱作ABM的多層先進高性能匯流排(advanced high-performance bus, AHB)矩陣互連，ABM還能為處理器及其外設與FPGA架構及嵌入式模擬功能之間的通信提供路徑。

《圖一 SmartFusion的模組示意圖》

可程式設計模擬

每個SmartFusion器件都包含有多達3個12位逐次逼近寄存器(successive approximation register, SAR)模數轉換器(ADC)，其在12位元模式下支援500 Ksps工作 (10位元模式下為550 ksps ，8位元模式下為 600 ksps)。為了處理其它方向的信號，其中每個ADC都配備有一個第一階(first-order) sigma-delta 數模轉換器(DAC)，可提供500 Ksps的高效12位解析度。

為了進一步增強ADC的功能性，每個器件還集成了多達5個高性能類比信號調節模組(signal conditioning block, SCB)。每一個SCB包含2個雙極型高壓監控器 (精度1%) 、1個高增益電流監控器、1個溫度監控器 (解析度為0.25°C)，以及2個高速比較器。

SmartFusion包含有1個創新的類比計算引擎(ACE)，可以分擔嵌入式Cortex-M3處理器的底層初始化(low-level initialization)和模擬前端 (analog front-end, AFE) 控制等任務。ACE 相當於第二個處理器，能夠逐個樣本，或在預設一定時間之後，自動調節ADC的解析度。該引擎還能夠隨時間自動提高或降低ADC的解析度，或延遲從一個ADC通道到另一個通道的採樣。

靈活的FPGA架構

SmartFusion器件能夠同時訪問微控制器子系統和類比計算引擎。SmartFusion架構基於已獲驗證的ProASIC®3 flash FPGA架構，可為用戶提供多達50萬系統門和108kb嵌入式RAM。

這種高度靈活的架構可通過AHB匯流排矩陣與微控制器子系統通信。由於此架構可作為匯流排的從結點或主結點，故其內部實現的功能是處理器的從屬功能。

用戶可以利用這些豐富的資源來構建額外的外設與定制功能。用戶還能夠訪問Microsemi的DirectCore庫(包含50多個不同的IP模組)以及由協力廠商供應商獨立開發的其它IP模組。

基於已獲驗證的Flash技術

SmartFusion架構採用Microsemi的CMOS flash工藝建立。因此，SmartFusion器件具有flash技術為可程式設計器件提供的所有優勢，如低功耗和固件錯誤免疫能力。對嵌入式設計人員而言，重點在於SmartFusion器件是非易失性的，可提供真正的上電即行單晶片解決方案——而這一點對任何真正的系統級晶片(SoC)解決方案來說都是必要條件。

一個複雜示例：永磁同步電機

最常見的PMSM控制技術是向量或磁場定向控制(field-oriented control, FOC)技術。在磁場定向控制中，定子電流被控制，在任何給定時間都會與轉子磁場成90度，以獲得最大轉矩。因此，FOC需要計算大量的向量變換(例如，Clarke 和 Park變換)，以精確判斷當前的電機狀態。除FOC之外，還需執行空間向量脈寬調製(space vector pulse-width modulation, SVPWM)，相比傳統的脈寬調製方法，它可以減少諧波，提高效率。這種演算法的早期實現方案是採用專用積體電路(ASIC)來實現的，後來則使用數位訊號處理器(DSP)。ASIC方案雖然集成度很高，但成本高昂，目前不再實用。DSP可以實現低成本高速控制，但整個解決方案需要大量支援器件才能完成。最近，一類新的控制器面市，這就是數位信號控制器(DSC)。DSC基本上就是具備了DSP功能(比如乘法累加功能)的微控制器。儘管DSC可為設計人員提供更高的集成度，但它們的功能性仍然十分有限。一些更複雜的系統要求每個電機配備一個DSC，另外還需要額外的功能性。

圖二展示了如何利用SmartFusion資源來實現一個FOC演算法。Park、Clarke和逆向Clarke 變換可採用軟體在嵌入式Cortex-M上執行。或者，這三項任務也可以從處理器中卸載下來，採用硬體執行，以對這些功能進一步加速。比例積分(PI)調節器、空間向量PWM和角計算等專用功能，可通過SmartFusion FPGA架構中的硬體實現方案而得到大幅加速。額外的功能，如電流和電壓感測，也可在SmartFusion可配置類比模組中執行。

《圖二 在SmartFusion中實現的 FOC》

運動控制系統不僅限於電機控制。這種控制必須與系統的其餘部分進行通信，此外還需處理額外的需求，如控制致動器和螺線管，乃至控制額外的電機。SmartFusion器件提供有豐富的FPGA架構資源，以及微控制器和可配置類比模組，因此它們也擁有實現整個系統的資源。

總結

使用SmartFusion器件，運動控制系統的設計人員現在就有可能開發出控制更為複雜的電機的單晶片解決方案。利用一個帶有單週期乘法、32個優先順序的中斷以及眾多外設的嵌入式32位ARM Cortex-M3 處理器，SmartFusion混合信號FPGA可提供眾多DSC功能；除此之外，它還具有一項額外的優勢，即能夠對FPGA架構中執行的一些功能進行硬體加速，從而留有大量餘裕給其它用戶功能。另外，SmartFusion器件配備了充足的外設，以用於低速通信(SPI、I2C和UART) 和高速通信(10/100 乙太網 MAC)，以及系統其餘部分的連接。把這些功能與可配置類比功能結合起來，就催生出了業界首款單晶片運動控制器—SmartFusion。