使用微芯片现场可编程门阵列和片上系统的旋转编码器应用

旋转编码器工作原理

旋转编码器用于精确测量电动机的角度位置，以实现精确控制。这些编码器通常安装在电动机的轴上：

安装在电机轴上会带来明显的系统限制：

中间有安装孔的甜甜圈形印刷电路板 （PCB） →空间限制

电机的导热系数→电子设备的高工作温度

电子设备的高温→可靠性和电子设备的使用寿命缩短

这些限制归结为对可靠组件的要求，这些组件具有很少的自发热和较小的物理足迹。由于这些编码器通常以非常高的产量制造，因此冷却和PCB制造的系统成本是重要的设计因素。这些系统中通常涉及的另一个设计因素是功能安全，以可靠地了解测量值是否有效，或者系统是否需要进入安全状态，即停止。

这些甜甜圈形 PCB 的典型直径低至 35 毫米， 这将所选组件的物理尺寸限制在大约 10 × 10mm² 或更小.编码器板直接受到电机产生的热量的影响，在工作条件下可以达到95°C的温度，在使用寿命的一定时间内甚至可以达到105°C。 在这些温度下，由于漏电流引起的电子产品自发热已经很强烈——一些半导体甚至可能遭受热失控。

采用FCSG2封装的智能融合158 SoC

Microchip为这些应用设计了一款特定的器件：采用FCSG2封装的SmartFusion158 SoC。该器件采用 Arm M3 微控制器，附加了大约 25.000 个逻辑元件的 FPGA 结构和 9 × 9mm² 的优化器件封装。该器件针对这些恶劣的工作条件和设计限制进行了高度优化。

布线优化的封装允许在PCB上仅有两个信号层的情况下完全分离封装，从而保持PCB简单和低电平。封装球栅中的自由空间允许为内环放置经济高效的0.3 mm过孔，并将去耦电容直接放置在封装下方，靠近封装中间的电源引脚：

这款 SmartFusion2 器件提供 82 个 I/O，其中 70 个能够连接到 3.3V，12 个可以本地连接到 2.5V 或通过电阻分压器连接到 3.3V。此外，对于需要高速通信的情况，可以使用一个收发器对，其运行速度高达 5 Gbps 并支持 PCIe Gen2。片上 Arm M3 微控制器也可用于典型的内务管理和通信目的。

由于 SmartFusion2 的功耗优化架构及其产生的小自发热，该器件可以在接近最大指定温度范围 （100°C/125°C） 的环境温度下运行。为了准确估计器件的功耗和自发热，建议将微芯片功耗估算器用于SmartFusion2 SoC和Igloo2 FPGA或PolarFire FPGA和SoC。

如上所述，编码器数据通常是安全关键型的，要求FPGA设计也必须获得安全认证或具有混合的关键级别。Microchip通过SmartFusion2 / Igloo2安全包（链接在这里）支持此类安全认证。SmartFusion2 和 Igloo2 设备已通过 IEC 61508 功能安全认证，基于使用验证。相应的安全包包含安全认证的开发环境Libero SoC 18.3 SP4，FPGA设计中经常需要的28个IP核，这些设备和实用程序的安全手册，用于计算硬件故障概率。

由于Microchip FPGA和SoC不受配置存储器上的单事件翻转（SEU）的影响，因此永久性硬件故障是安全讨论所需的FIT计算的唯一因素。FIT 代表 failure in time，1 FIT 等于 109 小时内的一次故障。对于典型的基于SRAM的FPGA，SEU引起的软FIT取决于所选器件的确切架构和复杂性，通常在约400 FIT的范围内。考虑到安全相关功能通常只占用FPGA结构的一小部分。在此软 FIT 之上，还添加了永久性故障。

永久性故障的FIT率来自供应商在增加器件应力水平时的测量数据，以加速主要导致器件故障的老化效应。这些测量结果是基于阿伦尼乌斯关系计算所需操作条件下硬件故障率的基础

其中 A.F = 加速度系数。

该计算的可视化结果为：

在计算完整的FPGA时，在>90°C的环境温度下，旋转编码器通常具有的工作条件，由此产生的FIT率可以达到100 FIT左右的故障率。对于功能安全的设计，这显然太多了。

换句话说，要么需要保持较低的器件温度，要么为了安全计算，保持相关功能的尺寸较小。

Microchip安全包包含适当的数据和实用程序，以确定整体设计中安全相关部分的FIT率，从而简化设计认证。

审核编辑：郭婷