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FPGA 的优势

利用可自定义的Spartan-6 FPGA芯片的各种优势，您可以以更少的开发成本来更快地开发电力电子控制应用。使用LabVIEW开发工具链，结合Spartan-6 FPGA和一套完整的用于电力电子的硬件I/O，相比传统的数字信号处理器(DSP)来说在很多方面都提供了更好的性能。

1. 可重置性

从最顶层来看，FPGA是可编程的硅芯片板，包含了可重配置的逻辑门电路矩阵。与DSP不同，FPGA不用受到特定的一组指令集或是硬件处理单元的限制。使用预置的逻辑块和可编程的路由资源，您可以针对您自己特定的电力电子控制应用对这些板卡进行配置。过去，在FPGA上实现一个DSP应用(例如PWM逆变器控制算法)通常会比在DSP处理器上实现相同的应用花费更多的精力。这需要开发者对硬件描述语言和FPGA板卡编程相当熟悉。同时，还需要设计一套自定义的I/O接口板来与FPGA进行交互。

NI的Single-Board RIO GPIC提供了商业现成可用的开发板，您可以使用LabVIEW FPGA图形化开发环境对其编程，访问所有您的电力电子应用需要用到的I/O，从而解决了上面提到的各种问题。在LabVIEW FPGA图形化开发环境下，即使您不具备底层硬件描述语言(例如VHDL或者Verilog)或板卡级的硬件设计相关的知识，也可以准确地定义FPGA板卡需要实现的逻辑。

图13. 使用LabVIEW FPGA来设计FPGA板卡

使用LabVIEW FPGA，您可以利用高级的图形化环境来抽象复杂的HDL编程并生成FPGA的实现代码。

图14. LabVIEW模拟硬件I/O实现：对比FPGA与VHDL

使用LabVIEW FPGA，您可以将电力电子IP库中现成的VHDL代码，第三方的IP和IP核集成到您自己的LabVIEW FPGA应用程序中，这样您就可以将更多的开发精力放在应用指标的设计和代码片段的组织上，而通常的任务如PWM、PID控制和Clarke及Park变换则可以用预置的函数来完成。

由于智能电网相关的应用涉及长期的技术支持、维护以及适应不断发展的标准和通讯协议的需求，所以FPGA可以导入代码并支持重配置的特性有很大的优势。FPGA可重配置的特点也表示您可以使用它实现更高的性能，减少开发时间并实现代码的重用。

2. 性能

由于FPGA具有高度并行的架构，所以它们超过了DSP的运算能力。实际上，现代的FPGA都具有专用的DSP元，非常适合传统的DSP应用。Spartan-6 LX45 FPGA具有58个专用的、可完全自定义的低功耗DSP元，结合了高速、小体积的特点，同时又保证了系统设计的灵活性。

图15. Spartan-6 FPGA与通用DSP的对比

当您为FPGA设备编译电力电子控制应用程序(自定义，高频数字PWM波形)时，得到的将是高度优化的硅芯片实现，它提供了真正并行的处理机制，其专用的硬件电路具有性能和可靠性两方面的优势。由于FPGA芯片上没有运行操作系统，代码的实现方法保证了最佳的性能和最高的可靠性。

除了提供高的运行可靠性，FPGA设备还可以以极快的循环频率实现高确定性的闭环控制。对于绝大多数基于FPGA的控制应用来说，处理速度的瓶颈都在于传感器，执行器和I/O模块，而不在于FPGA的性能。例如，包括在LabVIEW FPGA模块中的PID控制算法只需要300 ns (0.000000300 s)就可以完成一次运算。

基于FPGA的控制系统提供了超过1 MHz的高确定性，闭环控制性能。实际上，许多算法只需要一个FPGA的时钟周期(40 MHz)就可以完成执行。

3. 节省开发时间和成本

与单核的DSP处理器相比，FPGA数据处理高并行度的特点大大提高了系统的平均美元性能。同时，相比DSP处理器而言，FPGA还提供了更高的平均瓦特性能。通常来说，FPGA具有更高的板卡级的功率消耗(DSP的典型功耗为3W至4W，而DSP的功耗一般为7W至10W);但是，由于FPGA可以处理的通道数据密度是DSP的40倍，这就意味着FPGA有着更高的平均瓦特性能。

图16. 近年来，将微型DSP硬件核集成到FPGA元中的技术极大地提高了FPGA的性能，图为与单核的DSP相比，每秒可以完成乘法累加运算次数的柱状图

就平均发展速率来说，FPGA的平均美元性能每14个月翻一番。使用商业现成可用的NI Single-Board RIO GPIC控制器开发板，您可以充分利用FPGA性能和可靠性的优势，比全自定义的硬件设计付出更少的工作量，并且可以避免重复的开发工作。

使用NI Single-Board RIO GPIC，您可以充分利用LabVIEW开发工具链和Spartan-6 FPGA的灵活性以及在快速原型开发方面的优势，从而大大减少您电力电子控制应用程序的开发时间。当您在LabVIEW FPGA和Multisim联合仿真环境下完成了对控制器的测试之后，就可以将相同的代码部署到FPGA上并用实际的物理I/O上对其进行测试。接下来您就可以实现一些改进方案并且充分利用FPGA可重配置的特点来逐步完善您的设计并给出最终设计方案。

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