автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Развитие технологии сигма-дельта модуляции для создания в архитектуре ПЛИС ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами

На правах рукописи

Романов Алексей Михайлович

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ В АРХИТЕКТУРЕ ПЛИС РЕСУРСОЕМКИХ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННО-МОДУЛЬНЫМИ

СИСТЕМАМИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 АПР 2014

ДПР 2014

Москва 2014 005547242

005547242

Работа выполнена на кафедре «Проблемы управления» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (МГТУ МИРЭА).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, профессор кафедры «Проблемы управления» МГТУ МИРЭА Лохин Валерий Михайлович

Официальные опноненты: доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой «Робототехника и мехатроника» МГТУ СТАНКИН Подураев Юрий Викторович, кандидат технических наук, доцент НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ

Петров Владимир Федорович

Ведущая организация: Институт электронных

управляющих машин им. И.С. Брука

Защита состоится «22» мая 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.131.03 при МГТУ МИРЭА по адресу: г. Москва, пр. Вернадского, д. 78, ауд. Г-412.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА.

Автореферат разослан « 14» апреля 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, д. 78, МГТУ МИРЭА, диссертационный совет Д 212.131.03.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Тягунов О.А.

Общая характеристика работы

Актуальность. В последние годы программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) находит все более широкое применение в устройствах управления, в частности, в робототехнических и мехатронных системах. По мере повышения степени автономности таких систем возрастает сложность задач и объем вычислений на верхних уровнях иерархии управления (тактическом и стратегическом) и, соответственно, возникает необходимость перераспределения ресурсов или уменьшения ресурсоемкости нижнего (исполнительного) уровня. В данной работе предлагается новый подход к построению устройств управления исполнительными подсистемами на базе ПЛИС, основанный на применении сигма-дельта модуляции (СДМ).

На сегодняшний день известно несколько подходов к сокращению ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения (АПО) ПЛИС: алгоритмическая оптимизация (применение алгоритмов, более эффективных с точки зрения цифровой реализации), повторное использование вычислительных модулей и уменьшение разрядности операндов математических операций.

Первый метод является неуниверсальным и требует индивидуального подхода к решению каждой задачи, а второй приводит к увеличению транспортных задержек внутри ПЛИС и не позволяет достигнуть параллелизма вычислений, что снижает быстродействие.

В 1972 г. Локхарт (ЬоскЬай) предложил подход к эффективной аппаратной реализации вычислений на основе частотных методов, использующий представление сигналов в форме сигма-дельта модуляции. Существенный вклад в развитие данной технологии внесли работы Н. Коувараса (Коиуагаз) и его коллег. В 1978 г. они предложили полностью цифровую схему сумматора для сигма-дельта модулированных сигналов и показали эффективность его аппаратной реализации. В период 80-х и 90-х годов были опубликованы работы, посвященные реализации операций непосредственно над сигналами с импульсной модуляцией (сигма-дельта, ЧИМ, ШИМ) для решения задач создания искусственных нейронных сетей и цифровой фильтрации аудиосигналов.

В начале XXI века появляются работы, посвященные использованию сигма-дельта модуляции для организации вычислений

на базе ПЛИС. В них обоснована эффективность аппаратной реализации вычислений на основе сигма-дельта модуляции за счет уменьшения разрядности операндов. Кроме того, отмечены преимущества, связанные с малыми транспортными задержками. Эти работы показали перспективность использования сигма-дельта модуляции для сокращения ресурсоемкости математических операций при реализации их на ПЛИС, а, следовательно, возможность реализации • ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами.

Известным ограничением применения методов организации вычислений, основанных на частотном представлении сигналов, является необходимость последующей низкочастотной фильтрации импульсных потоков (ИП) для получения результата в форме импульсно-кодово-модулированных сигналов. При использовании сигма-дельта модуляции в устройствах управления приводами мехатронных систем это ограничение не является существенным, так как результат вычислений управляющего сигнала, в конечном счёте, поступает на вход исполнительного двигателя, который, как правило, является фильтром низких частот.

Предметом исследования данной работы являются сигма-дельта модулированные информационные потоки, схемотехнические решения, обеспечение точности выполнения импульсных математических операций, обоснование возможности создания ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами в архитектуре ПЛИС.

Объектом исследования являются устройства управления исполнительного уровня мехатронно-модульных систем на базе ПЛИС.

Целью работы является разработка новой технологии проектирования с использованием сигма-дельта модуляции, обеспечивающей уменьшение ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения устройств управления, реализуемых в архитектуре ПЛИС.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. разработать подходы к реализации различных математических операций на основе сигма-дельта модуляции;

2. определить структуры и параметры сигма-дельта модуляторов, наиболее эффективных для реализации блоков,

выполняющих математические операции сложения, умножения, возведения в квадрат, интегрирования, нахождения синуса и косинуса и т.п.;

3. исследовать точность представления и преобразования сигма-дельта модулированных сигналов при реализации математических операций;

4. разработать методику проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, обеспечивающую уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;

5. реализовать на базе предложенных схемотехнических решений и методики проектирования на базе ПЛИС устройство управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа.

Методы исследования: математический анализ, теория автоматического управления, математическое моделирование, статистический анализ, компьютерное моделирование, синтез аппаратно-программного обеспечения ПЛИС.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. обоснование перспективности реализации математических операций на основе применения сигма-дельта модуляции операндов;

2. теоретическое обоснование выбора параметров сигма-дельта модуляции, обеспечивающих выполнение математических операций с заданной точностью;

3. схемотехническая реализация блоков математических операций с сигма-дельта модулированными сигналами в ПЛИС;

4. методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, обеспечивающая уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;

5. реализация системы управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа на базе технологии сигма-дельта модуляции, предложенных схемотехнических решений и методики проектирования в архитектуре ПЛИС.

Научная новизна результатов:

1. исследованы особенности реализации блоков математических операции на базе сигма-дельта модуляции и обоснована их структура, доказана возможность настройки параметров сигма-дельта модуляторов, обеспечивающих выполнение математических операций с заданной точностью;

2. получены аналитические зависимости точности реализации нелинейных математических операций (умножения, извлечения квадратного корня, синусно-косинусного преобразования) от параметров демодуляции входных операндов;

3. предложены критерии обоснованного выбора частоты, разрядности и способа кодирования импульсных потоков, участвующих в реализации математических операций;

4. предложены схемотехнические решения сигма-дельта модуляторов, цифровых демодуляторов, блоков математических операций: сложения, умножения на константу и интегрирования, обеспечивающих уменьшение ресурсоемкости при реализации устройств управления на ПЛИС.

Работоспособность и эффективность предложенных решений подтверждена результатами компьютерного моделирования и экспериментальных исследований на макетном образце системы управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства наведения телескопа.

Достоверность исследования подтверждается использованием апробированного математического аппарата; результатами математического и компьютерного моделирования в пакете МАТЬАВ; экспериментальными результатами, полученными на реальных образцах устройств управления мехатронных модулей.

Практическая значимость диссертации:

1. предложены способ кодирования СДМ сигналов и принципы проектирования НБЬ-модулей АПО ПЛИС системы управления, обеспечивающие унификацию и удобную взаимную коммутацию блоков импульсных математических операций над сигма-дельта модулированными импульсными потоками различной разрядности, а также возможность на этапе отладки повышать точность вычислений без изменения НЭЬ-кода;

2. разработана методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, которая обеспечивает уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;

3. разработаны высокоэффективные с точки зрения ресурсоемкости схемотехнические решения основных элементов, необходимых для реализации на базе ПЛИС систем управления исполнительного уровня. Использование технологии сигма-дельта модуляции в устройствах управления, позволило добиться не только уменьшения ресурсоемкости АПО ПЛИС на 35% - 93%, но и

сокращения транспортных задержек, обеспечив потенциальную возможность увеличения частоты работы ПЛИС в 1.2-18.9 раз;

4. на основе предложенных схемотехнических решений и методики проектирования АПО ПЛИС разработано, исследовано и внедрено устройство управления исполнительного уровня прецизионной мехагронно-модульной опорно-поворотной системы наведения телескопа. Использование сигма-дельта модуляции и соответствующих структурных изменений в системе управления, реализованной на ПЛИС Xilinx Spartan ЗЕ, позволило увеличить скорость, ускорение и динамическую точность слежения опорно-поворотного устройства телескопа в 2 раза без изменения аппаратных средств стойки управления.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены:

1. при разработке прецизионного двух-координатного электропривода опорно-поворотного устройства телескопа в рамках НИР ОКБ МГТУ МИРЭА;

2. в учебный процесс на кафедре «Проблемы управления» МГТУ МИРЭА при создании лабораторного практикума по курсам «Электрический привод мехатронных систем» и «Микропроцессорные устройства управления роботов и их программное обеспечение и микропроцессорная техника».

Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях: «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2007 г.; «Научно-техническая конференция МИРЭА», Москва 2008 г.; «Перспективные системы и задачи управления», Домбай 2009 г.; «Инновационные подходы к развитию вооружения, военной и специальной техники», Москва 2010 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных работах, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 51 наименования и приложения. Работа представлена на 234 страницах, в том числе 183 страницах основного текста, содержит 75 рисунков и 18 таблиц.

Основное содержанке работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, определены предмет, объект и методы исследования.

В первой главе обоснованы преимущества применения ПЛИС в устройствах управления мехатронно-модульными системами, а именно: уменьшение энергопотребления и массогабаритных характеристик, унификация и снижение стоимости в серийном производстве, увеличение надежности, уменьшение транспортных задержек, простота модернизации аппаратного обеспечения, параллелизм вычислений.

На основании анализа существующих подходов и полученных автором результатов синтеза отдельных математических операций обоснована перспективность применения сигма-дельта модуляции для создания в архитектуре ПЛИС ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами.

Сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертационной работы посвящена теоретическому обоснованию возможности реализации математических операций над СДМ импульсными потоками, применение которых обеспечивает заданную точность вычислений и минимизацию ресурсов АПО ПЛИС.

На рис Л представлена структура блока, выполняющего импульсную математическую операцию.

Рис. 1 Блок импульсной математической операции

На вход блока импульсной математической операции поступают сигма-дельта модулированные импульсные потоки А и В. Результатом выполнения математической операции является импульсный поток В), разрядность которого отличается от разрядности входных ИП. С помощью сигма-дельта модулятора (СД модулятора) результат математической операции преобразуется в ИП С, имеющий

требуемую разрядность, а при необходимости, и требуемую частоту.

Оценка величины погрешности блока импульсной математической операции складывается из значений погрешностей выполнения математической операции и преобразования в сигма-дельта модуляторе результата вычислений в импульсный поток с требуемыми параметрами разрядности и частоты. В работе отдельно оцениваются погрешности выполнения линейных и нелинейных математических операций.

На основе статистической обработки большой выборки результатов компьютерного моделирования для различных типов демодуляторов получены аналитические оценки величины погрешностей нелинейных импульсных математических операций, таких как: извлечение квадратного корня, вычисление синуса и косинуса угла, умножение двух сигма-дельта модулированных ИП, возведение в квадрат, возведение в натуральную степень.

Предложен и исследован класс эквивалентных математических операций, главной особенностью которых является возможность выполнения их как над СДМ ИП, так и над ИКМ сигналами без потери точности. На основе доказанных утверждений, показано, что линейные математические операции являются эквивалентными для систем с линейными демодуляторами.

Сформулированы и доказаны 5 теорем и их следствия, позволяющие определить диапазон выходного сигнала интегратора сигма-дельта модулятора и для различных типов демодуляторов провести оценку величины погрешностей, вносимых модуляторами.

Теорема 1 доказывает, что, если входной сигнал модулятора, нормированный к максимальному значению сигнала на выходе модулятора, не превышает 1, то интегратор модулятора вернётся в диапазон [-1; 1], даже если в начальный момент времени он находился за его пределами.

Теорема 2 дает оценку модуля максимального значения достигаемого интегратором модулятора в процессе работы, в зависимости от количества уровней квантователя.

Теоремы 3-5 и их следствия позволяют оценить погрешности, вносимые сигма-дельта модулятором в зависимости от типа демодулятора, частоты работы модулятора и значения Етах, полученного из теоремы 2.

Результаты оценки всех составляющих погрешности блока импульсной математической операции сведены в габл. 1.

Таблица 1. Погрешности, вносимые различными импульсным» математическими операциями в

зависимости от используемого демодулятора

Тип операции

Интегратор

Эквивалентные

операции

(все

линейные математические операции) Извлечение квадратного корня Синусно-косинусное преобразование

Умножение двух ИП, возведение ИП в квадрат

Возведение ИКМ в натуральную степе!) ь

Сигма-дельта-модуляторы, 2(

изменяющие частоту или разрядность ИП, а также преобразующие ИКМ сигналы в СДМ ИП

N-

-)Аг

Тип демодулятора Усредпяющии фильтр

-(0.5242 л' ¿+0.3552)

2

-(0.93 лг,,-1.9)

2-|2 у,-3.71

-(0.288 -1-3.7)

0

А периода ческое звена первого порядка

0

о-(0.5242лг ,,+0.3552) (0.93 к.-1.9)

2~

2

-1^-1)

2(1 +

лг

Ы~\ Т

Т + Л1

Третья глава посвящена разработке и реализации в архитектуре ПЛИС различных блоков импульсных математических операций (ИМО).

Для решения задачи разработки схемотехнических решений ИМО обоснован выбор частоты и разрядности импульсных потоков с точки зрения эффективности аппаратной реализации. Предложено для обеспечения минимальной ресурсоемкое™ при реализации импульсных математических операций использовать двух- и трехуровневые импульсные потоки. В соответствии с доказанными во второй главе теоремами предложено частоту сигма-дельта модулированных импульсных потоков и частоту тактирования блоков импульсных математических операций выбирать как минимальную, гарантированно обеспечивающую заданную точность вычислений. Кроме того, для упрощения разработки схемотехнических решений предложены принципы проектирования НВЬ-модулей и способ кодирования СДМ сигналов, обеспечивающие унификацию и удобную взаимную коммутацию блоков ИМО над ИП различной разрядности. Данный подход позволяет на этапе отладки повышать точность вычисления отдельных операций без изменения НОЬ-кода.

Для реализации блоков импульсных математических операций предложены схемотехнические решения сигма-дельта модуляторов, демодуляторов, сумматоров, умножителей и интегратора. Выбор каждого схемотехнического решения обоснован с точки зрения показателей ресурсоемкое™ и максимально допустимой тактовой частоты при синтезе в ПЛИС.

СДМ-модуляторы. На рис. 2 представлена обобщенная структура СД модулятора 1 -го порядка с блоком контроля переполнений.

Рис. 2. Обобщенная структура сигма-дельта модулятора первого порядка с блоком контроля переполнений

Предложено три типа модуляторов: тип I — модуляторы с коэффициентом 8 равным 1 ; тип 2 — модуляторы с коэффициентом 5 равным 2к, где к: — положительное целое число; тип 3 — модуляторы с произвольным коэффициентом в обратной связи. Для каждого из типов определена целесообразная область применения при реализации конкретных математических операций.

Известным недостатком схем цифрового интегрирования является возможность переполнения интегратора. В диссертации предложена новая схема защиты модуляторов от переполнения интегратора, предназначенная специально для использования при реализации ИМО и позволяющая добиться сокращения ресурсоемкости модулятора на 45% с 35 LUT до 19 LUT.

СДМ-еумматоры. Обобщенная структура /Y-входового сумматора сигма-дельта модулированных ИП представлена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема сумматора СДМ ИП.

ХиД^.-Дм — входные ИП, 5суммы — результат сложения в форме многоуровневой СДМ, Хчи,„ — ИП суммы

Используемый многовходовой сумматор представляет из себя обычный А-входовой сумматор ИКМ сигналов разрядностью к = log2N + 1 бит. Разрядность сумматора выбрана таким образом, чтобы обеспечить гарантированное сложение N 2-битных знаковых переменных без переполнения. На выходе сумматора в результате сложения получается (2.М+ \)-уровневый импульсный поток (хсуммь,)„

Для масштабирования выходного сигнала сумматора и перевода его в форму двухуровневого или трехуровневого ИП предложено использовать модулятор второго типа с разрядностью входа к бит и коэффициентом обратной связи 8 -2~(к~'К

Для верификации предложенного схемотехнического решения СДМ-сумматора и экспериментальной проверки теоретических результатов, полученных в главе 2, проведено компьютерное моделирование в среде МАТЪАВ. Проверка работы сумматора осуществлялась на случайной выборке входных сигналов, аппроксимирующей равномерное распределение в рабочем диапазоне

Х0—4+ Сумматор

i СД-Мабулятор | 2-ого типа

их значений. Среднеквадратическое отклонение вычислялось относительно выхода эталонного ИКМ сумматора.

На рис.4 представлены примеры полученных гистограмм ошибок СДМ-сумматоров различных типов, а в табл.2 приведены среднеквадратичные отклонения для каждого из сумматоров. Среднеквадратичное отклонение представлено в единицах младшего разряда ИКМ сигнала (ЕМР).

Таблица. 2. Результаты моделирования СДМ-сумматоров

Описание конфигурации сумматора

Двухвходовой сумматор с выходом в форме двухуровневой ИП

Двухвходовой сумматор с выходом в форме трехуровневой ИГТ

Трехвходовой сумматор с выходом в форме двухуровневой ИГТ

Среднеквадратичное отклонение (ЕМР)

1.0506

0.7566

2.6195

Трехвходовой сумматор с выходом в форме трехуровневой ИП

2.5370

Сумматор Дж. О'Шеа

Каскад из двух сумматоров Дж. О'Шеа

0.5409 3470

£ «он

^ Ш

Ошибки, ЕМР Ошибка. ЕМР Ошибка. ЕМР

а) б) в)

Рис. 4. Гистограммы ошибки СДМ-сумматоров с двух- (а), трех- (б) уровневыми выходными ИП и сумматора Дж. О'Шеа (в)

Предложенная в диссертации схема Л'-входового СДМ-сумматора по результатам реализации и компьютерного моделирования показала при сложении двух ИИ сравнимые

результаты с сумматором Дж. О'Шеа и существенно превзошла его по точное", и гтри сложении трех и более импульсных потоков.

СДМ-умножители. Предложено реализовывать СДМ импульсный умножитель (рис. 5) при помощи трехвходового мультиплексора.

Лп

СД Мойулятор

Сп

СДМ

Рис. 5. Структурная схема умножителя ИП на константу. МП — трехвходовой мультиплексор, СДМ — сигма-дельта модулятор первого порядка. Ап — входной МП, к — константа, с„ — произведение в форме многоуровневой СДМ, С„ выходной ИП.

Верификация предложенного умножителя осуществлялась аналогично СДМ-сумматору.

Значения среднеквадратичного отклонения вычислений предложенных СДМ импульсных умножителей от ИКМ множителей, полученные. по результатам экспериментов, представлены в табл. 3.

_Таблица 3. Результаты моделирования С^ДМ-умнтокителей

Конфигурация умножителя

Умножитель на 16-б«ть:ую константу, с двухуровневым выходным потоком, использующий арифметическую инверсию для формирования отрицательных импульсов

Умножитель на 16-битную константу, с двухуровневым выходным потоком, использующий логическую инверсию для формирования отрицательных импульсов

Умножитель на 16-битную константу, с трехуровневым выходным потоком, использующий арифметическую инверсию для формирования отрицательных импульсов

Умножитель на 16-битную константу, с трехуровневым выходным потоком, использующий логическую инверсию для формирования отрицательных импульсов

Умножитель Фуддшсака с Ь=4

Средне квадратичное отклонение(ЕМР)

0.9001

0.5743

0.9936

0.7065

3162

Результаты экспериментов (табл. 3) показали, что СДМ-умножители предложенной структуры существенно превосходят умножитель Фуджисака для решения задачи умножения на константу. Так, среднеквадратическое отклонение умножителя Фуджисака превышает аналогичную характеристику предложенного умножителя более чем в 3000 раз

На основе компьютерного моделирования показано, что точность реализации умножения соответствует ранее полученным во второй главе теоретическим данным. При этом аппаратная реализации предложенных умножителей являются существенно более ресурсоэффективной по сравнению с существующими аналогами и обладает меньшими транспортными задержками. Так, реализация предложенного умножителя на констант)' размером 16 бит на ПЛИС Xiiinx Spartan ЗЕ потребует 33 LUT и сможет работать на частоте до 264 МГц. Аналогичный по точности последовательный умножитель, работающий по наиболее распространенному алгоритму CORD 1С, потребует 97 LUT и сможет работать на частоте до 202 МГц, а параллельный 16-битный умножитель потребует 313 LUT, работая на частотах не более 14 МГц.

СДМ-интегратор. Структурная схема разработанного интегратора СДМ импульсных потоков представлена на рис. 6.

Сигнпл cbpcco

интгераторп У

ДП

Рис. 6, Структурная схема СДМ-интегратора, МП — мультиплексор, СМ —- сумматор, ЭП — элемент памяти цифрового интегратор, СДМ — выходной сигма-дельта модулятор, ДП — детектор переполнений

Показано, что применение СДМ-интеграторов обеспечивает улучшение показателей ресурсоемкости и максимально допустимой

тактовой частоты по сравнению с ИКМ аналогами. Экономия логических ресурсов ПЛИС сохраняется даже при использовании аппаратных умножителей при реализации ИКМ интегратора, а без их использования достигается экономия более чем в 20 раз.

СДМ-демодуляторы. На основе предложенных блоков сумматора, интератора и умножителя ИП разработаны структурные схемы демодуляторов типов усредняющий фильтр и апериодическое звено первого порядка, показавшие хорошие показатели по точности и ресурсоэффективности.

Эффективность предложенных схемотехнических решений подтверждена оценками логической емкости блоков импульсных математических операций, полученными в ходе реализации аппаратно-программного обеспечения для ПЛИС Xilinx Spartan ЗЕ и результатами компьютерного моделирования разработанных блоков.

Результаты сравнения схемотехнических решений ИМО на основе СДМ и традиционных на базе ИКМ при реализации на ПЛИС Xilinx Spartan ЗЕ представлены в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что блоки ИМО, разработаные на базе СДМ, имеют размер на 35% - 93% меньший, чем аналоги, построенные на базе ИКМ. За исключением понижающего частоту сигма-дельта модулятора блоки ИМО имеют меньшие транспортные задержки, что выражается в возможности повышения частоты от 1,2 до 18,9 раз. Полученные результаты показывают высокую ресурсоэффективность реализации в архитектуре ПЛИС ИМО с использованием СДМ.

Четвертая глава посвящена разработке методики проектирования в архитектуре ПЛИС ресурсоемких устройств управления на базе СДМ для мехатронно-модульных систем. Эффективность разработанной методики проиллюстрирована на примере модернизаций АПО ПЛИС системы управления исполнительного уровня прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа.

Опорно-поворотное устройство (ОПУ) имеет балочную компоновку: телескоп размещен внутри жесткой вилки и позиционируется при помощи безредукторного двигателя по углу места. Движение в азимутальной плоскости осуществляется также при помощи безредукторного двигателя, поворотом всей вилки.

Алгоритмы управления были реализованы в АПО ПЛИС Xilinx Spartan ЗЕ ёмкостью 500 тыс. вентилей.

Таблица 4. Сравнение схемотехнических решений блоков ИМО на базе СДМ с их аналогами на базе НКМ

Сравнение характеристик решений на базе СДМ и ИКМ

Блоки импульсных математических операций на базе СДМ

Характеристика Двухвходовой сумматор Умножитель на константу Интегратор со входами сброса и разрешены ! Понижающий частоту сигма-дельта модулятор

Размер, LUT 33 85 45

Максимальная частота, МГц 365 264 239 196

Блоки математических операций на базе ИКМ

Параллельный сумматор Умножитель Параллельный CORBIC умножитель Без аппаратных С аппаратными умножителей умножителями ШИМ генератор

Размер, LUT 17 97 313 1225 178 82

Максимальная частота, МГц 87 202 14 206 206 209

Преимущества устройств на базе СДМ

Сокращение 35.3 размера, % 66 89.5 93.1 52.2 i ! ' 45.1

Рост максимальной 320 частоты, % 30 1790 20 20 -6 1 i j I

Задачей модернизации стояло существенное улучшение скоростных и точностных характеристик ОТТУ. Для ее решения была разработана новая структура системы управления (рис.7). С целью обеспечения требуемых характеристик в структуру системы управления было предложено ввести: траекторный задатчик на основе фильтра Калмана, прямую связь по скорости, а также увеличить частоту обработки сигналов в наблюдателе скорости и положения. Однако, ограничением применения новых эффективных алгоритмов управления явилось то, что логическая емкость ПЛИС уже была использована на 97% Преодолеть это ограничение позволило использование результатов второй и третьей главы: импульсных математических операций и схемотехнических решений их реализации на базе СДМ.

Рис. 7. Структурная схема системы! управления исполнительного уровня мехатронно-модулъного ОН У, Пунктиром отмчены блоки, добавленные или улучшенные в ходе модернизации

Полученная система управления прошла испытания, в ходе которых требуемые характеристики точности слежения были не только достигнуты, но и превзойдены (табл. 5).

Таблица 5. Результаты испытаний системы управления ОПУ, реализованной с использованием ИМО на базе СДМ_____

¡Техническая характеристика Исходная [Модернизированная

система

система

Угловое разрешение датчиков | 5 угл.сек.

¡Максимальная скорость цели | 2 °/с

¡Максимальное ускорение цели 3 °/с2

!Статистическая точность 112 угл.сек.

¡Точность слежения за целью, движущейся с 20 угл.сек. \ максимальной скоростью

2 угл.сек. 6 7с

30 °/с2 4 угл.сек.

10 угл.сек.

В табл. 6 приведены показатели эффективности ИМО, полученные при модернизации АПО ПЛИС системы управления исполнительного уровня прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа. Из табл. 5, 6 видно, что при обеспечении высоких технических характеристик, была достигнута суммарная экономия логических ячеек на 37.9% -53.9% по сравнению с исходным регулятором, а максимальная частота работы была увеличена на 221% - 258%.

___Таблица 6. Показатели эффективности ИМО на базе СДМ

Модификация : регулятора

¡оез аппаратных ¡умножителей

с 18 аппаратными ' умножителями

|на базе СДМ

Размер регуляторов скорости и положения,

включая траекторный задатчик

2290 LUT

Размер векторного регулятора тока

1862 LUT

1642 LUT S 1424 LUT

Размер наблюдателя скорости и положения на основе фильтра Калмана

1089 LUT 822 LUT

Итого (LUT)

Макс, частота

5241

32.4 МГц

3892 I 36.2 МГц

544 LUT ! 2415 ¡116.1МГц

1 708 LUT ; 1163 LUT

Преимущества регулятора на базе СДМ по отношению к исходному регулятору

! без аппаратных j 69% [ 37.5% j 50% j 53.9% 258% Умножителей j j |

|c 18 аппаратными j 57% 18.3% ; 33.8% ¡37.9% 221%

¡умножителями j i j

Основные результаты работы

Повышение функциональности и уровня интеллектуальности мехатронно-модульных систем приводит к увеличению сложности задач и объема вычислений на верхних уровнях иерархии управления (тактическом и стратегическом) и, соответственно, возникает необходимость перераспределения ресурсов или уменьшения ресурсоемкое™ нижнего (исполнительного) уровня. В диссертационной работе решена задача уменьшения ресурсоемкое™ АПО ПЛИС устройств управления исполнительного уровня мехатронных систем за счёт применения сигма-дельта модуляции при реализации математических операций.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. исследованы особенности реализации блоков . математических операции на базе сигма-дельта модуляции и обоснована их структура, доказана возможность настройки параметров сигма-дельта модуляторов, обеспечивающих выполнение математаческих операций с заданной точностью;

2. получены аналитические зависимое™ точности реализации нелинейных математических операций над сигма-дельта модулированными импульсными потоками (умножения, извлечения квадратного корня, синосно-косинусного преобразования) от параметров демодуляции входных операндов;

3. предложены критерии обоснованного выбора частоты, разрядности и способа кодирования сигма-дельта модулированных импульсных потоков, участвующих в реализации математических операций;

4. предложены схемотехнические решения сигма-дельта модуляторов, цифровых демодуляторов, блоков математических -операций: сложения, умножения на константу и интегрирования, обеспечивающих уменьшение ресурсоем кости при реализации устройств управления на ПЛИС. Работоспособность и эффективность предложенных решений подтверждена результатами компьютерного моделирования и экспериментальных исследований на макетном образце системы управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства наведения телескопа.

Новые научные результаты являются теоретическим обоснованием следующих результатов, подтверждающих практическую значимость диссертации:

1. предложены способ кодирования СДМ сигналов и принципы проектирования HDL-модулей АПО ПЛИС системы управления, обеспечивающие унификацию и удобную взаимную коммутацию блоков импульсных математических операций над сигма-дельта модулированными импульсными потоками различной разрядности, а также возможность на этапе отладки повышать точность вычислений без изменения HDL-кода;

2. разработана методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, которая обеспечивает уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;

3. разработаны высокоэффективные с точки зрения ресурсоемкости схемотехнические решения основных элементов, необходимых для реализации на базе ПЛИС систем управления исполнительного уровня. Использование технологии сигма-дельта модуляции в устройствах управления, позволило добиться не только уменьшения ресурсоемкости АПО ПЛИС на 35% - 93%, но и сокращения транспортных задержек, обеспечив потенциальную возможность увеличения частоты работы ПЛИС в 1.2-18.9 раз;

4. на основе предложенных методических и схемотехнических решений разработано, исследовано и внедрено устройство управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа. Использование сигма-дельта модуляции и соответствующих структурных изменений в системе управления, реализованной на ПЛИС Xilinx Spartan ЗЕ, позволило увеличить скорость, ускорение и динамическую точность слежения опорно-поворотного устройства телескопа более чем в 2 раза без изменения аппаратных средств стойки управления.

Список публикаций по теме диссертационной работы

В изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Романов A.M., Киор C.B. Цифровой многофункциональный контроллер электропривода ЦМКП-В2 // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск "Перспективные системы и задачи управления". - Таганрог: изд-во ТТИ ЮФУ, 2008, №12(89)., с. 73-78.

2. Романов A.M. Оценка старших производных в контуре цифровой системы управления в условиях шумов // «Мехатроника, автоматизация, управление», № 3, 2010., с. 25-27.

3. Филатов В.В., Романов A.M., ЧумаеваМ.В. Экспериментальная идентификация параметров модели системы

управления электрическим двигателем // Вестник МГТУ «Станкин», № 1 (19), 2012, с. 20-24. - М.: Издательский центр МГТУ «Станкин».

4. Романов A.M. Анализ и синтез элементов устройств управления мехатронно-модульными системами на базе ПЛИС с использованием сигма-дельта модуляции // Естественные и технические науки. - М.: Спутник+, 2013. - № 6., с. 348-361.

В других изданиях:

5. Романов A.M. Универсальная модульная многопроцессорная система управления манипуляционного робота // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации. Труды XVI Международного научно-технического семинара, 2007г., Алушта: ТулГУ, 2007г., с. 164.

6. Валитов М.С., Романов A.M., Герасимов В.В., Семенов А.Е. Микропроцессорные устройства управления роботов и их программное обеспечение и микропроцессорная техника, Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов, обучающихся по специальностям 220401 (210300) и 220402 (071800). - М.: МИРЭА. - 2009.

7. Лохин В.М., Манько C.B., Романов М.П., Романов A.M. Киор C.B. Проектирование высокопрецизионных приводов // Материалы четвертой Всероссийской научно-практической конференции «перспективные системы и задачи управления» и первой молодежной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009., с. 39-40.

8. Романов A.M., Скавинский Н.Ю. Автоматическая настройка электроприводов // Материалы четвертой Всероссийской научно-практической конференции «перспективные системы и задачи управления» и первой молодежной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах». — Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009., с. 94.

Личный вклад автора. В работе [1] автору принадлежит программно-аппаратное обеспечение многофункционального контроллера электропривода на базе ПЛИС. В работе [3] автору принадлежат схемотехнические решения стенда для исследования электропривода, построенного на базе ПЛИС с использование сигма-дельта модулированных импульсных потоков. В работах [6], [7], [8] имеет место неразделимое соавторство.

Научное издание

Романов Алексей Михайлович

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ В АРХИТЕКТУРЕ ПЛИС РЕСУРСОЕМКИХ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННО-МОДУЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 24.03.2014 Формат 60 х 90 '/|6. Бумага 80 г Усл.-печ.л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ 474

Отпечатано в редакционно-издательском отделе Федерального государственного бюджетного образовательного Учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» 119454 Москва, пр. Вернадского, 78

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики"

04201457837

Романов Алексей Михайлович

Развитие технологии сигма-дельта модуляции для создания в архитектуре ПЛИС ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами

05.13.05

Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Лохин В.М.

Москва, 2013 г.

Оглавление

Введение...........................................................................................................................4

1. Системы управления мехатронных модулей на базе ПЛИС...................................8

1.1. ПЛИС, как базовый элемент устройств управления мехатронно-модульных систем...........................................................................8

1.2. Анализ подходов к оптимизации аппаратно-программного обеспечения устройств управления на базе ПЛИС.........................................13

1.3. Предварительная оценка перспективности применения сигма-дельта модуляции в устройствах управления на базе ПЛИС.....................................21

1.4. Задачи диссертационной работы.......................................................................24

Выводы по главе 1......................................................................................................27

2. Структурная реализация математических операций с сигма-дельта модулированными импульсными потоками............................................................28

2.1. Кодирование и восстановление информации в сигма-дельта модулированных импульсных потоках.............................................................28

2.2. Исследование особенностей структурной реализации математических операций с сигма-дельта модулированными импульсными потоками..........36

2.2.1. Оценка точности выполнения линейных импульсных математических операций........................................................................36

2.2.2. Особенности реализации и оценка точности выполнения нелинейных импульсных математических операций.............................40

2.2.3. Особенности формирования сигма-дельта модулированных импульсных потоков с заданными характеристиками...........................54

2.3. Оценка погрешностей, вносимых сигма-дельта модулятором.......................60

Выводы по главе 2......................................................................................................74

3. Аппаратная реализация импульсных математических операций на

базе сигма-дельта модуляции в архитектуре ПЛИС...............................................75

3.1. Обеспечение возможности оптимизации аппаратно-программного обеспечения ПЛИС.............................................................................................75

3.2. Обоснование выбора параметров сигма-дельта модулированных импульсных потоков...........................................................................................79

3.3. Схемотехнические решения блоков импульсных математических операций с сигма-дельта модулированными потоками..................................85

3.3.1. Модуляторы................................................................................................85

3.3.2. Базовые математические операции с сигма-дельта модулированными импульсными потоками............................................96

3.3.3. Демодуляторы..........................................................................................121

3.3.4. Сопряжение тракта вычисления импульсных математических операций с объектом управления..........................................................132

3.3.5. Рекомендации по созданию специализированных модулей импульсных математических операций.................................................136

3.4 Оценка перспективности применения сигма-дельта модуляции в

устройствах управления на базе ПЛИС..........................................................137

Выводы по главе 3....................................................................................................139

4. Устройство управления на базе ПЛИС прецизионного

мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа.................140

4.1. Система управления исполнительного уровня прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа..........140

4.2. Методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств

управления на основе сигма-дельта модуляции............................................153

4.3. Экспериментальные исследования................................................................169

Выводы по главе 4....................................................................................................174

Заключение...................................................................................................................175

Список сокращений.....................................................................................................178

Список литературы......................................................................................................179

Приложение..................................................................................................................184

Введение

На сегодняшний день создание устройств управления (УУ) мехатронных систем на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) получило широкое развитие [24, 34, 43, 51]. Технология ПЛИС позволяет реализовать все основные функции системы управления при помощи одной микросхемы. Такой подход обеспечивает существенное улучшение качественных характеристик конечного устройства, добившись уменьшения массогабаритных размеров и снижения энергопотребления. Сокращение числа компонентов на печатной плате в результате использования ПЛИС приводит к увеличению надежности УУ.

Ключевой особенностью микросхем ПЛИС является возможность обновления аппаратного обеспечения путем перепрограммирования на этапе эксплуатации устройств управления (УУ). Это сокращает сроки выхода на рынок новых устройств за счет возможности исправления аппаратных ошибок на поздних этапах проектирования. Возможность реконфигурации аппаратных средств позволяет использовать для реализации различных УУ мехатронных модулей унифицированные печатные платы, что является важным аспектом с точки зрения технологии серийного производства.

Уменьшение ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения (АПО) ПЛИС является одним из важнейших направлений в ходе разработки УУ мехатронных модулей, поскольку позволяет не только сократить энергопотребление и тепловыделение, но и снизить стоимость элементной базы.

На сегодняшний день известно несколько подходов к сокращению ресурсоемкости АПО ПЛИС: алгоритмическая оптимизация (применение алгоритмов, более эффективных с точки зрения цифровой реализации), повторное использование вычислительных модулей и уменьшение разрядности операндов при реализации математических операций.

Первый метод не является универсальным и требует индивидуального подхода к решению каждой задачи, а второй, приводит увеличению транспортных задержек внутри ПЛИС и не позволяет достигнуть параллелизма вычислений, что снижает быстродействие.

В 1972 г. Локхарт (Lockhart) [2] предложил оригинальный подход аппаратной реализации вычислений, использующий представление сигналов в форме сигма-дельта модуляции (СДМ). Существенный вклад в развитие данной технологии внесли работы Н. Коувараса (Kouvaras) и его коллег. В 1978 г. они предложили [7] полностью цифровую схему сумматора для сигма-дельта модулированных сигналов и показали эффективность его аппаратной реализации. Позже их результат был расширен для случая трехуровневой модуляции [10] На протяжении 80-х и 90-х годов публиковались работы, посвященные реализации операций непосредственно над сигналами с импульсной модуляцией (сигма-дельта, ЧИМ, ШИМ) для решения задач цифровой фильтрации [15, 16], обработки звука [18], создания искусственных нейронных сетей [13]. За это время новая технология так и не получила единого устоявшегося названия, именуясь в различных работах как: direct sigma-delta processing (прямая обработка сигма-дельта модуляции), bit-stream signal processing (обработка битовых потоков), sigma-delta arithmetics (сигма-дельта арифметика) [11, 13, 16].

В начале 21 века появляются работы, посвященные реализации данного подхода к организации вычислений на базе ПЛИС [35, 38, 39, 42]. В них отмечается эффективность реализации вычислений (в смысле минимизации требуемых аппаратных ресурсов) на основе сигма-дельта модуляции по сравнению с классическими подходами и, кроме того, обосновываются преимущества, связанные с малыми транспортными задержками. Это открывает перспективу использования сигма-дельта модуляции для уменьшения ресурсоемкости АПО ПЛИС при реализации ресурсоемких УУ мехатронных комплексов, включающих различные подсистемы управления от приводного до поведенческого уровня.

Существенным ограничением применения рассматриваемых выше методов организации вычислений (основанных на частотном представлении сигналов) является необходимость последующей низкочастотной фильтрации результатов. При использовании сигма-дельта модуляции в УУ исполнительными механизмами мехатронных систем это ограничение не является существенным, так как результат вычислений, в конечном счете, поступает на вход объекта управления, который, как, правило является фильтром низких частот.

Современные УУ мехатронными и робототехническими системами включают в себя подсистемы управления исполнительными механизмами, подсистемы системы управления поведенческого уровня, подсистемы очувствления и т. п. [19]. Уменьшение ресурсоемкое™ элементов УУ приводного уровня позволяет перераспределять элементную базу ПЛИС между другими подсистемами УУ, высвободить дополнительные аппаратные средства для реализации, например, видео-обработки в системе технического зрения или интеллектуальных функций систем управления.

Несмотря на то, что работы по теме сигма-дельта арифметики неоднократно публиковались, начиная с 1980-х годов 20 века, они, как правило, касались решения узких инженерных задач и не носили систематический характер. Многие аспекты применения и анализа устройств управления, использующих частотное представление информационно-управляющих сигналов не проработаны.

Таким образом, развитие технологии сигма-дельта модуляции для уменьшения ресурсоемкости элементов устройств управления мехатронно-модульными системами в архитектуре ПЛИС является актуальной задачей, так как нет общего обоснования перспективности применения СДМ в УУ, отсутствуют исследования, связанные с реализацией математических операций с СДМ сигналами и оценкой их точности, нет схемотехнических решений элементов систем управления приводного уровня, обеспечивающих уменьшение ресурсоемкости АПО при реализации устройств управления, реализованных на ПЛИС, за счет использования сигма-дельта модуляции.

Целью работы является разработка новой технологии проектирования с использованием сигма-дельта модуляции, обеспечивающей уменьшение ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения устройств управления в архитектуре ПЛИС.

Предметом исследования данной работы являются сигма-дельта модулированные информационные потоки, схемотехнические решения, обеспечение точности выполнения импульсных математических операций, обоснование возможности создания ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами в архитектуре ПЛИС.

Объектом исследования являются устройства управления исполнительного уровня мехатронно-модульных систем на базе ПЛИС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать подходы к реализации различных математических операций на основе сигма-дельта модуляции;

2. определить структуры и параметры сигма-дельта модуляторов, наиболее эффективных для реализации блоков, выполняющих математические операции сложения, умножения, возведения в квадрат, интегрирования, нахождения синуса и косинуса и т.п.;

3. исследовать точность представления и преобразования сигма-дельта модулированных сигналов при реализации математических операций;

4. разработать методику проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, обеспечивающую уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;

5. реализовать на базе предложенных схемотехнических решений и методики проектирования в архитектуре ПЛИС устройство управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа.

Методы исследования: математический анализ, теория автоматического управления, математическое моделирование, статистический анализ,

компьютерное моделирование, синтез АПО ПЛИС.

1. Системы управления мехатронных модулей на базе ПЛИС

1.1. ПЛИС, как базовый элемент устройств управления мехатронно-модульных систем

Существенные достижения последних 10 лет в области программируемых логических интегральных схем привели к их широкому использованию в реконфигурируемых устройствах управления сложными динамическими объектами, к которым относятся мехатронно-модульные системы, роботы и т.п.

Возможность реконфигурации АПО ПЛИС, после монтажа на печатную плату позволила производителям значительно унифицировать свое производство. Исчезла необходимость изготавливать отдельные печатные платы для каждого нового устройства. Теперь, когда вся основная «начинка» устройства располагается внутри ПЛИС, одна и та же печатная плата может служить основой для десятка разнообразных устройств, выполняющих совершенно различные функции.

В результате произошло снижение, как цены серийного производства, так и времени, необходимого на разработку и выход на рынок новых устройств. Также на сокращение сроков разработки повлиял тот факт, что большая часть микросхем ПЛИС поддерживает многократную реконфигурацию.

Раньше к моменту выпуска устройства на рынок оно должно было включать весь необходимый функционал. Требования к тестированию аппаратного обеспечения также были существенно выше. Причиной тому была высокая стоимость каждой ошибки, допущенной при проектировании и изготовлении аппаратного обеспечения. В случае, если после выхода на рынок возникали какие-либо аппаратные неполадки - это грозило производителю как минимум затратами на дополнительное сервисное обслуживание, а в худшем случае отзывом всей

партии обратно на производство.

Переход к проектированию устройств на базе ПЛИС сводит риски производителя к минимуму. Уменьшение количества соединений на печатной плате упрощает ее проектирование и снижает риск ошибки. Необходимость в сверхдлительном тестировании аппаратного обеспечения также отпадает, так как, даже если ошибка будет найдена после выхода устройства на рынок, ее можно будет исправить при помощи перепрограммирования ПЛИС. Причем, эта операция может выполняться как в специализированном сервисном центре, так и самим пользователем, при условии что такой функционал был заложен производителем изначально.

Тоже самое относится к добавлению новых функций в уже произведенные устройства. Если раньше такие изменения могли касаться только программного обеспечения, то с массовым использованием ПЛИС появилась возможность изменения и аппаратного обеспечения. В результате выпущенные сегодня музыкальные проигрыватели с аппаратной декомпрессией звука смогут поддерживать новые форматы записи, а электропривода позволят подключать к себе новые типы датчиков, интерфейсы которых на сегодняшний день еще не разработаны.

Технология ПЛИС постоянно развивается. Так компания Actel уже несколько лет выпускает микросхемы семейства SmartFusion. Каждая микросхема SmartFusion включает в себя процессор ARM Cortex-МЗ, программируемую логическую матрицу и конфигурируемую аналоговую подсистему, связанные между собой мультимастерной шиной AHB (рис. 1). При использовании этой микросхемы возможна реконфигурация не только цифровой, но и аналоговой части аппаратного обеспечения. В работе [49] приведен пример применения данной микросхемы в многокоординатном электроприводе.

Перспективной областью применения ПЛИС являются устройства, работающие в экстремальных условиях. Если раньше подбор необходимых комплектующих с требуемой степенью защиты мог стать серьезной проблемой, то

сегодня эту задачу можно упростить до подбора одной микросхемы ПЛИС, обладающей требуемыми объемом ресурсов и степенью защищенности.

В настоящее время большая часть микросхем ПЛИС доступна сразу в нескольких температурных исполнениях, включая военное (от -55 до +125°С). Ведущие компании производители имеют линейки микросхем пригодных для работы в условиях космоса и жесткого радиационного излучения.

Рис. 1. Структурная схема микросхемы Actel Smart Fusion

С точки зрения надежности современные ПЛИС уже не уступают заказным микросхемам. В результатах сравнительного исследования, выполненного по заказу NASA, указывается, что микросхемы Xilinx, производимые для космической промышленности, имеют вероятность отказа около одного отказа за 65 лет. Для отдельных ПЛИС Actel заявляется беспрецедентно низкая вероятность отказа: не более одного отказа на тысячу лет [25]. Таким образом, эти ПЛИС можно будет использовать в оборудовании для исследования дальнего космоса.

Использование ПЛИС дает практически неограниченные возможности по обеспечению информационного обмена между различными компонентами системы. Традиционный же подхо