工業(yè)系統(tǒng)一般都以升級的設計方案為基礎，這些設計方案在大都采用ASIC或者ASSP，有時也需要依靠更傳統(tǒng)的電子設備如微控制器或微處理器、離散數字和模擬設備以及內存芯片等。但每一次無論是推出新品還是對產品進行升級，一旦需要新的特征、功能或者改進，設計人員都必須從零做起。

ASIC和ASSP設計方法為工業(yè)產品設計提供了固定平臺，但是其成本昂貴，開發(fā)時間長，而且很難實現產品差異化。如果使用傳統(tǒng)的離散器件，在目前整個工程設計領域都在呼吁更大的設計靈活性、產品差異化和更低設計成本的情況下，顯然不具備任何設計優(yōu)勢。

ASIC、ASSP和傳統(tǒng)的芯片式設計無法滿足新一代工業(yè)系統(tǒng)的需求。新的工業(yè)應用需要可靈活定制的硬件和軟件平臺、性能更高的數字信號處理(DSP)、更短的產品開發(fā)周期、更低的設計成本和更快的上市速度。

FPGA曾被歸類到膠合邏輯，但目前具備了高端和高集成功能，能提供很多設計上的優(yōu)勢。

基于FPGA的可編程平臺給工業(yè)系統(tǒng)設計者們提供了快速低成本產品創(chuàng)新和進化的基礎。FPGA的靈活性帶來了一個獨特方法，讓設計者可以創(chuàng)建一個硬件設計方案作為多種不同產品的基礎，從而降低設計和制造成本。這一點是完全可能的，因為使用FPGA的可編程平臺讓他們可以通過設計重編程來快速開發(fā)新的特征或功能。

設計者們還能以最小的工程量來設計新功能或者進行設計升級，以面對不斷改變的市場需求和標準。另外，即便是已在工廠車間使用的工業(yè)產品，都能借助FPGA進行升級。

另外，這樣的一個平臺設計策略可以實現更大的產品差異化，并可能提高利潤。它讓工業(yè)系統(tǒng)能攜新特征更快上市，同時又在用戶面前保住了品牌，并進一步降低了某個產品設計被廢棄的風險。

產品廢棄會給工業(yè)系統(tǒng)OEM產生極高的硬件成本，有時甚至高達數百萬美元。據估計工業(yè)系統(tǒng)OEM平均要花費15％－20％的工程時間來重新設計系統(tǒng)的功能并更新文件。

FPGA就能幫助OEM減輕這一沉重負擔。FPGA設備可以完美適用于各種工業(yè)應用領域，包括安保系統(tǒng)、工業(yè)自動化、控制系統(tǒng)、現場測量、開關和控制裝置、環(huán)境和樓宇控制、馬達控制等。無論是在性能還是在價格方面，它們都能夠滿足這些以及其它成本敏感型工業(yè)應用的要求。FPGA能集成各種工業(yè)現場總線標準，例如Profinet, Sercos III, Cip Synch, Ethernet-PowerLink, Ethernet IP和EtherCat等，這充分顯示出它給設計者帶來的非凡的靈活性。這些不同的標準原本需要大量不同的適配卡，每張卡都專用于某個標準。而且生產這些適配卡要耗費很大的工作量，并需要很多離散元件。

在這種情況下，就可以使用一個FPGA設備來集成各種不同的現場總線標準，從而不需要開發(fā)如此多的適配卡，自然也就節(jié)省了成本。它只需要物理接收器來使電器特征和專用現場總線相匹配。

FPGA可以在系統(tǒng)生產的過程中進行編程，為某個特定的現場總線提供量身定做的電子設備。另外，FPGA也可以通過現場重編程來輕松執(zhí)行某個標準的新規(guī)范。FPGA還能用于過程控制和工廠自動化。在這些工業(yè)設計中，FPGA結合IP內核，可以降低開發(fā)成本、提高設計靈活性并縮短開發(fā)周期。

像Cyclone II等FPGA，都帶有一個32位的Nios II嵌入式處理器，能給工業(yè)設計者帶來高效和靈活性，以添加應用外圍設備并實現所需的內核性能。設計者可以對成本和性能作出權衡，既可以設計一個低端低成本的從系統(tǒng)，也可以設計一個處理器內核與速度及所需外圍設備完美匹配的高端高性能的系統(tǒng)。

過程控制系統(tǒng)對制造環(huán)境進行監(jiān)控，并依據用戶設定的限制對過程和制造流程進行控制。典型的過程控制系統(tǒng)都會使用一個像激光二極管這樣的測量裝置來檢測工業(yè)環(huán)境中的氣體或者液體成分。某種氣體或液體的頻率信號頻率信號被發(fā)送到接收器，接收器將之轉化成數字信號，接著由處理器進行鑒定。下一步，主控制器和自動化系統(tǒng)會利用該鑒定信息來執(zhí)行系統(tǒng)任務。如圖1，FPGA中的嵌入式處理器控制系統(tǒng)，而能匹配IP內核的FPGA則執(zhí)行Ethernet媒體訪問控制(MAC)功能、一個控制控制器局域網(CAN)的控制器接口、UART和內部集成電路總線控制器接口。

圖1：FPGA式過程控制應用圖

工廠自動化系統(tǒng)控制制造和工業(yè)環(huán)境中的生產流程。這些自動化系統(tǒng)不斷從生產線的傳感器上(一般是電荷耦合數碼相機)接收數據并將之過濾，接著通過工業(yè)系統(tǒng)廠商的專用圖像識別算法對數據進行處理。

圖像識別模塊讓自動化系統(tǒng)可以識別生產流程中的各種狀態(tài)，比如產品的缺失或者缺陷。該信息接著被傳輸到主系統(tǒng)，主系統(tǒng)參考該信息來加速或減慢生產線，或啟動對生產線上某個部件的拒收程序。

FPGA可用來在一般的工廠自動化系統(tǒng)中執(zhí)行各種不同的任務。Nios嵌入式處理器可作為組件控制器，減輕主控制器執(zhí)行系統(tǒng)任務的負擔。

FPGA可借助IP內核來執(zhí)行10/100 Ethernet MAC和CAN，從而進一步加快設計時間。圖2展示了FPGA的RAM區(qū)塊中執(zhí)行的緩沖功能，以及FPGA為開發(fā)一個完整的工廠自動化方案而利用IP內核來執(zhí)行的FIR濾波器和UART功能。

設計者可以利用IP內核結合一個嵌入式處理器來加快設計速度，從而將更多精力集中于系統(tǒng)設計的其它方面。另外，各種離散器件的功能被集成到一個FPGA中，減少了板上的離散元件數量，壓縮了設計成本和時間，從而極大地降低了成本。

圖2：完整FPGA工廠自動化方案圖

協(xié)處理器FPGA通用性很高，能用在高帶寬工業(yè)DSP領域作為強大的協(xié)處理器。在這些設計中，連續(xù)輸入數據樣本之間逐步完成的計算會限制DSP指令帶寬。在一些傳統(tǒng)的DSP芯片中，可以通過多個處理單元來使帶寬限制最小化。

但如果要創(chuàng)建專用管道代碼來利用這些處理單元，就必須對匯編語言程序進行手動編碼。這類代碼的維護、復用性和執(zhí)行會很麻煩，而且成本很高。另外，同步執(zhí)行的程度也相對較低。

一個能代替高帶寬計算的更好方法就是用一個FPGA作為協(xié)處理器。這種方法將反復高速算法綜合到了FPGA中。借助于一個FPGA和面向DSP應用的自動化設計軟件，工程師能以傳統(tǒng)數字信號處理器無法實現的方式優(yōu)化系統(tǒng)性能。

利用FPGA也可以提高超聲波探傷的效率。在這種應用中，傳感器傳出數據的速率能遠高于音速，甚至可高達20 MSamples/sec。

在其它工業(yè)應用中，傳感器數據率可能小得多(比如只有100 kSamples/sec)，但可能會有多個傳感器。雖然這可以讓有效數據率達到射頻水平，但如果處理鏈太復雜，DSP就無法具有實現實時的帶寬，而數據處理就必須離線執(zhí)行。

DSP的問題在于它是串行處理，每次只能處理信號鏈中的一個元件。有些高端DSP可以同時處理少量的指令，以實現一定程度的并行。但是，使用這些DSP的成本會比非并行方法的成本高9倍。雖然在很多應用中都能使用多個DSP來實現真正的并行處理，但是其硬件成本也會迅速增加，而用于這些系統(tǒng)的軟件也很復雜而昂貴。

另外，這個方法還需要一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)或者復雜的處理器互通信方案。并且其真正并行的程度相對較低，還會耗費過多的設計時間，帶來高成本，并極大減緩上市速度。而如果使用FPGA，則可以將一系列操作轉化成以數個200+MHz時鐘周期運行的并行結構。可以通過使過程真正并行來加速算法，這是使用FPGA的一個主要優(yōu)勢。

在DSP方案中，設計者除了編寫管道匯編語言(如果其DSP處理器能支持)，能夠提高性能的方法不多。另一個方法就是采用一個頻率更高的數字信號處理器。有了FPGA，硬件和軟件可以同時優(yōu)化。因此，有了靈活的FPGA設計軟件，設計者們就擁有了三重選擇(如圖3)，而從前他們只有代碼優(yōu)化和處理器速度兩個選擇。

圖3：FPGA設計軟件帶來了新的三維優(yōu)化空間

由于各種性能高的硬件處理器價格也高，設計者只剩下一個選擇：代碼優(yōu)化。但資深的工業(yè)設計人員就非常清楚，代碼優(yōu)化這個方法并不能屢試不爽。

從前由于產品設計時間和成本因素，或者因為傳統(tǒng)DSP不能處理大量計算而無法設計的工業(yè)系統(tǒng)，現在借助于FPGA的高度靈活性都能實現了。有了FPGA，設計者還實現了硬件加速，并獲得了更寬的設計空間。FPGA使并行處理程度高于DSP的并行處理，并讓算法大量并行，從而實現了這樣的硬件加速。