FPGA助力高速未來

超級高鐵技術(shù)是一種十分新潮的交通概念，它有望以其高速、低壓系統(tǒng)重新定義移動出行的未來。超級高鐵的核心是在密封管網(wǎng)絡(luò)中，乘客艙在磁懸浮和電力推進(jìn)下，以超高速度行駛。確保如此復(fù)雜系統(tǒng)的無縫運(yùn)行和安全性需要先進(jìn)的控制和監(jiān)控功能，而這正是FPGA的用武之地。

FPGA提供無與倫比的靈活性、安全性和高性能，可處理各類復(fù)雜任務(wù)，包括管理超級高鐵網(wǎng)絡(luò)中的推進(jìn)、導(dǎo)航和通信等。憑借自身的可重新編程性、行業(yè)領(lǐng)先的安全功能和實時數(shù)據(jù)處理能力，F(xiàn)PGA在優(yōu)化超級高鐵運(yùn)輸系統(tǒng)的效率和可靠性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為更快、更安全、更可持續(xù)的旅行方式鋪平了道路。

Swissloop原型車亮相2023年蘇黎世公開活動

Swissloop是一個由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院贊助的學(xué)生組織，致力于研究超級高鐵技術(shù)及其在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用，該組織多年來一直在使用萊迪思FPGA解決方案。該團(tuán)隊的全新原型機(jī)Bertrand Piccard采用了萊迪思FPGA解決方案，最近在蘇格蘭愛丁堡舉行的第三屆歐洲超級高鐵周（EHW）上獲得了五項大獎，包括完整的系統(tǒng)、電氣以及傳感和控制方面的獎項。

Bertrand Piccard是Swissloop的最新開發(fā)項目，具備了線性開關(guān)磁阻電機(jī)（LSRM）和電磁懸架（EMS）。LSRM將250 Kg的原型車以最大1.6 g加速度推進(jìn)到60 km/h最高時速。推進(jìn)系統(tǒng)由三個定制的逆變器單元提供動力，為推進(jìn)系統(tǒng)提供720 V電壓和6個高達(dá)120 A的矩形波電流。用于懸浮和橫向穩(wěn)定的EMS有自己的定制逆變器系統(tǒng)。這兩個逆變器系統(tǒng)對控制提出了重大挑戰(zhàn)。萊迪思MachXO3? FPGA非常適合Swissloop的嵌入式應(yīng)用，提供高能效和瞬時啟動功能，成為平臺“最先上電和最后斷電”的器件，提供系統(tǒng)控制和電源管理功能，確保穩(wěn)定、精確的懸浮。

艙體內(nèi)部各種定制PCB

懸浮系統(tǒng)由八個電磁鐵組成，每個磁鐵都需要持續(xù)控制，以控制懸浮高度并確保與軌道的安全距離，避免碰撞。單個MachXO3 FPGA可以處理所有控制回路和數(shù)據(jù)采集，與懸浮系統(tǒng)并行工作，在推進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮著同樣重要的作用。得益于二進(jìn)制光門傳感器，乘艙的位置可以精確到亞毫米級。隨著速度的提高，乘艙和控制裝置的定位難度也隨之增加，萊迪思FPGA在推進(jìn)系統(tǒng)中的預(yù)測控制功能可用于實現(xiàn)最高速度。

懸浮和推進(jìn)組合系統(tǒng)憑借兩片MachXO3 FPGA并行采集、過濾和處理數(shù)據(jù)，吞吐量高達(dá)1M Samples/s。在控件開發(fā)過程中，該團(tuán)隊大量使用了測試平臺和仿真器，例如萊迪思版本的ModelSim。在發(fā)生錯誤時FPGA的快速響應(yīng)以及用于EMC的信號同步使得FPGA比微控制器表現(xiàn)更佳。

此外，MachXO3 FPGA還提供了安全關(guān)鍵固件，這要求精確的時序控制，例如控制電池的繼電器或電源開關(guān)的柵極信號。這幫助Swissloop團(tuán)隊在超級高鐵艙上對安全關(guān)鍵系統(tǒng)實現(xiàn)了精確穩(wěn)定的時序控制，也因此贏得了“感知與控制獎”。

2023版MachXO3?通用控制板

對于Swissloop團(tuán)隊來說，2022/2023賽季以斬獲五個獎項圓滿結(jié)束，包括所有電氣獎項。該團(tuán)隊將繼續(xù)推動超級高鐵技術(shù)的發(fā)展，他們對即將在蘇黎世舉行的第四屆超級高鐵比賽感到興奮。該團(tuán)隊已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，包括設(shè)計了新一代通用控制板，該板具有與FPGA連接的512 MB偽靜態(tài)RAM，以太網(wǎng)功能以及用于編程和供電的USB Type-C控制器。