FPGA Mimarisini ve Capiflerini Anlamak

Bir alan programlanabilir kapı dizisi (FPGA), üretimden sonra entegre bir devre yapılandırılabilir. Talimatların aksine, doğru paralel donanım devreleri sağlar.

Bir FPGA'daki mantıksal bloklar göz ardı masaları, yüzyüzlülükler ve birden fazlaxers, herhangi bir dijital işlevi oluşturmak için telli olabilir.Seks için tasarım yapan satıcılardan gelen ve çok-gigabit transceivers destek PCIe, 10G / 25G Ethernet, veya özel seri bağlantıları.Bu mixleme programına bağlı olarak DSP dilimler ve sabit bir performans sağlar.

Robotiklerde, FPGA'lar CPU'lardan ve GPU'lardan farklıdır: CPU'lar genel amaçlı kontrol için optimize edilir, CPU'nun verileri görmeden önce büyük veri değiştiricisi için GPU'lar sabitlenirken, FPGA'lar veri hareketinde sürekli kontrol döngüsü ile düşük hızda işlem yapar.

Robotikta Yüksek Hızlı Veri Transferinin Eleştirel İhtiyacı

Robotik platformlar sensör zengin ortamlardır. Özerk bir mobil robot, çok yüksek çözünürlüklü kameraları taşıyabilir, LIDAR, IMUs, ultrasonik aralıkta algılamacılar ve güçlendirici sensörleri, tüm verileri ikinci olarak aşırı derecede fazla miktarda gigabits üretir. Gerçek zamanlı kontrol döngüsü talep yakalama, füzyon ve milisaniyeler içinde eylem - bazen mikrosaniyeler.

Bir robot kolu hassas bir montaj gerçekleştirir. Bir vizyon sistemi hareket eden bir parçası izler ve kamera verileri ile düzeltmeleri sağlar ve engellerden kaçınmak için sıkıca belirlenmiş pencere içinde. Geleneksel otobüs tabanlı mimarileri - USB veya Ethernet üzerinden şarj sensörü verileri seri olarak planlanabilir. Benzer şekilde, kamera verileriyle ve sabit tahminlerle bir araya gelmek için, gerçek zamanlı olarak, önbellekli olmayan bir pencere içinde.

Yüksek hızlı veri transferi, en kötü durumdaki koşullar ve minimum değişkenlik altında garanti edilir. FPGA tabanlı çözümler bu süreci Beckhoff ve Siemens'ten gelen özel donanım hatları yaratarak, OS kesintisi veya thread zamanlaması olmadan FPGA'lar harekete geçme konusunda vazgeçilmez hale getirir.

Robotik Data Transfer'lerde FPGA'ların Avantajları

FPGA teknolojisi, modern robot talepleri ile uyumlu özel faydalar sunar.

  • [FONT:0)Deterministic Low Latency:) Mantık, AG jitter olmadan doğrudan donanımda çalışır. 200 MHz'de, 50 nanosaniye altındaki tepkiler mümkün - en hızlı CPU kesinti yanıtından 20 kat daha hızlı.
  • [FONT=0) Gerçek Donanım Paralelliği:[Dönetici:[Dönetici:0) Gerçek Donanım Paralellik:[Dönetici:[Dönetici:0) Doğru Donanım Paralellik:[Dönetici:[Dönetici: 0,4;) Birden fazla sensör arayüzü, çalışma blokları ve iletişim kontrolörleri aynı anda çalışır. tek bir FPGA, görüntü yeniden oluşturma, renk dönüştürme ve ROI Ekstraksiyonu yaparken bir düzine hızlı kamera bağlantılarını yönetebilir.
  • [FONT=0]Flexible I/O ve Protokolü Adaptasyon: FPGA'lar, neredeyse her dijital arayüzü uygular, mirasın paralel otobüslerden en son yüksek hızlı seri standartlarına kadar.In sensörler gelişti veya CC-Link IE TSN gibi yeni Ethernet tabanlı protokolleri ortaya koyarken, FPGA mantık güncellemeleri uzun süreli robotik platformlar için kritiktir.
  • [FONT=0) Operasyon başına Güç Verimliliği: [Dönetici: [Dönetici:0) Aynı piksel işleme ile aynı piksel işleme kıyasla, bir FPGA genellikle daha az güç tüketiyor çünkü sadece gerekli mantık aktif.In batarya-işletilmiş mobil robotlarda, bu iş yüküne bağlı olarak 30-50% daha fazla görev süresi uzatabilir.
  • [FONT:0)Müşteri Donanımı Hızlandırma: [Dönetici: [Dönetici: 0,3, FPGA'lar filtre, matris işlemleri veya özel kontrol algoritmalarının doğrusal olarak uygulanması, mantıkla uygulanan bir motor kontrol alanı-yaratıcı PWM nesli ve mevcut algılayıcı ile kontrol, 1 mikrosaniye altında toplam döngüyü kesmek.

Robotik Sistemler için FPGA Çözümleri

Bir FPGA'da yüksek hızlı bir veri transferi, standart arayüzler için sistem mimarisinden çok adımlı bir mühendislik sürecidir.İş akışları, donanım açıklama dilleri (VHDL, Verilog, SystemReallog) ve C/C++ veya model tabanlı tasarımlardan oluşan yüksek seviyeli sentez araçları içerir.

Uygulamanız için Doğru FPGA'yı seçin

Tüm FPGA'lar eşit değildir.Seçim I/O bant genişliği, arayüz türleri, on-tablo işleme için hesaplama yükü ve güç bütçesi içerir: Anahtar parametreler şunlardır:

  • [[0)Logic Elements (LEs) veya Sistem Mantık Hücreleri:[Dönetici: 1) Özel mantık kapasitesi belirler. Basit bir protokol dönüştürücü 10K LEs'a ihtiyaç duyabilir; çok-camera vizyonu merkezi 200K veya daha fazla gerektirebilir. Güvenlik-kritik uygulamalar için% 20-30 daha fazla tasarruf ve izleme için rezerve edilebilir.
  • [FONT=0) Yüksek Hızlı Transceivers:[Dönetici:[Dönetici: 0) Sensör bağlantıları için gerekli olan Destek verileri (örneğin, Kamera Link HS, 12.5 Gbps for 10G Ethernet) Transceiver doğrudan kaç yüksek hızlı kanal aynı anda ele alınabileceğini sınırlar.
  • [FONT:0]DSP Slices:[DSPT:1] Multiplikasyon, filtreleme veya sinir ağı inference dahil olmak üzere doğrusal işlem için, özel DSP blokları verimlilik ve zaman kapatma için gereklidir.Her dilim bir kesintiye uğrar; tahmini gerekli GOPS ve buna göre seçilir.
  • [FONT=0)Memory Band genişlik:[Dönetici:[Dönetici:0)Imory Band genişliği:[Dönetici:[Dönetici: 0,4 veya LPDDR4 arayüzler büyük veri patlamaları patlamaları. 64-bit Prat4-3200 arayüzü, 25 GB /s hakkında sağlar - tek bir akış için yeterli olur, ancak hızlı bir şekilde birden fazla sensör için şişe bir şişeye dönüşür.
  • [FONT=0)Form Faktör ve Termal: [Dönetici: [Dönetici: 0,3] Kompakt robot eklemleri veya drone'larda, Zynq-7000 veya Zynq UltraScale+ MPSoC, işlem sistemini ve FPGA mantığını tek bir pakette birleştirir, güç ve yönetim kurulu tasarımı için basitleştirir.

Kaynak-konstr edilmiş kenar robotları için, cihazlar GÜNCELT:0)Lattice yarı iletkenlik) veya [[Döneticileri ile entegre edilen ARI:2)Mikroki[Döneticileri ve işleme sistemi, sadece yeterli translejik kumaşlar sunmak için düşük güç kumaşları sunar. Yüksek-end endüstriyel sistemler genellikle xtex veya Çevik serilerine güvenir.

Yüksek Hızlı İletişim Interfaces

Herhangi bir FPGA veri transferi tasarımının temeli, yüksek bant genişliği için fiziksel ve bağlantı katmanıdır. Ortak robotik sensör arayüzleri MIPI CSI-2'yi gömülü kameralar, GigE Vision ve USB3 Vision for Industrial kameralar, CoaXPress for high-band over coyel kablo, and ham LVDS or SLVS-EC bağlantıları görüntü sensörleri ile kontrol tarafında, EtherCAT, PRONET IRT ve Time-Sensitive Networking (TSN) üzerinde Ethernet yaygın olarak kullanılır.

Bu protokolleri genellikle satıcıyı bir araya getiren veya üçüncü taraf IP çekirdeği paket zamanlama ve veri ekstraksiyonu için özel bir mantıkla uygular. Örneğin, GigE Vision uygulaması, bu blokların oluşturulması için entegre bir akış kullanır.The datapath offload Engine, and a control kanal işlemci. Platformsurly processed, and delivered to shared to memory without back CHANGT:2).Quartus Prime)

Özel seri protokolleri FPGA'nın transceiver büyücüünü kullanarak inşa edilebilir, bağlantı oranlarını tanımlamak, Aurora bağlantılarını 12.5 Gbps'de çalışan 100 nanosaniye ve hizalama modellerini içerir. Standart bir protokol ihtiyaç duyulmuyorsa, yüksek hızlı sensör füzyon ile hareket kontrolörleri arasındaki özel bağlantılar yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte.

Latency ve Throughput için optimizasyon

Temel arabirimler işlevinden sonra, boru hattı optimizasyonu başlar. FPGA kumaşı, kanal kayıtlarını değiştirmeden saat frekansı artırmak için boru hatları kayıtlarını eklemeye olanak sağlar, ancak her kayıt aşaması geç saatlerde bir saat gecikme döngüsü ekler.Striking the right bakiye is key. High-throughput design use large internal programs –128 or 256 bit-bit-bit yol, but a feedback control signaled at 32-bit road stay the latency pipelined at high frequency.For example, a camera data road may use a shower-bit bus at 200 MHz for 100 Gbps through a feedback control signaled at 32-bit road.

Doğrudan Memory Access (DMA) motorlar, Zynq MPSoC gibi heterojen mimarilerde, FPGA kumaş erişimleri için bir CPU'yu her veri kelimeyi kopyalamak yerine, FPGA önceden işleme edilmiş bir sensör verileri ve CPU ön işlemeye hazırlayarak önbellek garantiler sunar.

Gelişmiş optimizasyon, kısmi yeniden yapılandırma içerir - tasarım hızına uygun olarak çalıştığını ve tasarım döngüsünde erkenden itibaren maliyetle yeniden ayarlanan tekniklerden kaçınılmasını sağlar.Süresel zamanlama analizi ve güç tahminleri için araçlar, tasarım hızıyla çalışır ve ısıtılır.

Doğrulama ve Test

Doğrulama genellikle, paket jitter, line hataları ve patlamalı verileri içeren test yöntemleri oluşturmak için gereklidir.In-the-loop (HIL) testi, FPGA'nın gerçek sensörleri ve eylemcileri ile tasarıma bağlanır, genellikle yanlış ve önlemler için, güvenlik-kırıklı robot uygulamaları da dahil olmak üzere testleri oluşturmak önemlidir.In-the-loop (HIL) testleri, USB güvenlik önlemleri ve uyarıları ile ilgili olarak analiz eder.

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Vaka Çalışmaları

FPGA kapasitesi birçok endüstride pratik robotik uygulamalara dönüşür.

  • [FONT:0] Özerk Mobile Robotlar (AMRs): ) Depo lojistik AMRs, 2D LiDAR, 3D zaman-of-flight kameralarından verileri birleştirerek, yükleme ve uzatma işlemine FPGA-bazlı boru hattına geçiş yaparken, navigasyon işlemine % 40 oranında bir azalma bildirdi.
  • [[DÜDÜ:0)Stand Robot Arms:[DÜDÜT:1) Çok eksenli kontrolörler genellikle yüksek seviyeli bir yörünge planlama için servo döngüyü yükler.
  • [FONT:0]Surgical Robotlar: [DDD: 1] De Vinci-style sistemlerde, yüksek çözünürlüklü 3D video, cerrahların gecikmesi ile doğrulanabilir 100 ms eşiğin altında, boya, renk geliştirme ve 3D formatlama yapar.
  • [FONT:0]Agricultural ve Test Drones:) Drones çokspectral kameralar, ekran görüntülerine kıyasla küçük FPGA tabanlı görüntü işlemcilerini kullanarak, yalnızca gerektiğinde yüksek çözünürlüklü yakalamayı algılar ve yüksek çözünürlüklü bir video akışlar bir zemin istasyonuna doğru sıkıştırırken, tüm güç verimliliği ödeme yükü ağırlığına yardımcı olur ve uçuş süresini uzatır. Özel bir drone, FPGA tabanlı görüntü işlemcisi kullanarak% 30 daha uzun uçuş zamanını elde etti.
  • [FONT:0]İnsanoid Robotlar: [Dönetici: IHMC Atlas robotu gibi araştırma platformları gerçek zamanlı IMU füzyon ve ortak seviye kontrol için FPGA'ları kullanıyor.

FPGA'ları AI ve Edge Computing ile bütünleştirin

Yükselen, yüksek çözünürlükte, Xilinx DPU (Eğitim Merkezi) veya Intel'in OpenVINO ile birlikte, tam sinir ağ topolojisine donanıma sahip, küçük ila orta modellere göre daha yüksek bir TOPS elde etmek için.XW'ye kadar 200 çerçeveler elde etti, aksi takdirde 60W'a kıyasla 60W'ye kıyasla bir yana tüketilen bir yana 200 çerçeveyi kullandı.

Tipik bir robot algılama hattında, FPGA ilk önce ham sensör verileri alır ve işbirliği robotları üzerinde algılama için geçerlidir, robotun gerçek zamanlı olarak pozisyon değişikliklerine uyum sağlaması gerekir.Çünkü tüm bu, tek bir çip, toplam sistem gecikmeli bir şekilde gerçekleşir.Bu, özellikle de robotun mikroptif devrelerin takip edilmesi için hızlı bir şekilde çalışır.

FPGA ve AI'nın füzyonu, ISO 13849 gibi işlevsel güvenlik standartlarını da ortaya koyar. Bu, herhangi bir başarısızlığın güvenli bir zamanda pencerede tespit edilmesi ve azaltılabilmesi için FPGA kumaşında kritik olan işbirliği robotlarda kritiktir.

Birkaç trend, robot yüksek hızlı veri transferindeki FPGA'ların rolünü şekillendirecektir. ROS 2 ve Data Dağıtım Servisi (DDS) Ortaware, yayıncı tabanlı SmartNICs, DDS paketi işleme, filtreleme ve içerik tabanlı routing'i garanti altına alabilir.

Endüstriyel robotik için özel 5G ağları yeni fırsatlar sunuyor. FPGAs, 5G Yeni Radyo fiziksel katman bileşenleri ve zaman duyarlı ağ yığınlarını uygulamaktadır, robotu ilk sınıf bir bilim insanı haline getiriyor RISC-V çekirdeği FPGA aracı zincirleri gibi ve büyüyen RISC-V yumuşak işlemci ekosistemi, özel robotik bilişim platformlarında giriş ve teşvik etmek için engelleri azaltır. Geliştiriciler şimdi özel SoC'leri FPGA mantığıyla birleştirmektedir.

Partisel yeniden yapılandırma daha dinamik hale gelecektir: Bir robot sıkı bir şekilde çiftleştirilmiş işlemciler, FPGA kumaşı bir vizyon boru hattından, iyi tasarlanmış iç mekandan gelen çevre değişikliklerine uygun olarak yeniden yapılandırılabilir bir bilgisayar.Gelecek AMD Versal Premium serisi, yüksek bant genişliği kontrolleri ve AI motorlarıyla birlikte, yüksek bant genişliğine sahip olan AI motorlarını bir araya getirir.

Son olarak, FPGA teknolojisi, mikrosaniye kararlarında, FPGA'ların robot algılarını zorlayacak, bir olay kamerasını kullanarak ve daha önce görülmemiş bir şekilde hareketle tepki gösterebilmelerine izin verecek. Olay kameraları ikinci kez 20 metreden fazla hıza sahip.

Core'da FPGA ile bir robot platformu inşa edin

Robotiklerde yüksek hızlı veri transferi için FPGA çözümleri, zorlanmış, güvenilir sistemlerle ilgili donanım kumaşını anlamaktan bir yolculuktur. Yararlı sistem, optimizasyon sistemleri, zaman içinde büyük paralellik sağlar ve AI hızlandırıcılarını entegre etmek için, robot tabanlı sistemlerle tepki veren daha akıllı ve bağlantılı hale getirmek için, FPGA, en güvenli şekilde yüklenen kapasiteye sahip olan dijital teknoloji alanından daha güvenli hale gelen bir şekilde çalışır.