强大的设计工具、一流的嵌入式处理性能以及高效率的电力电子晶体管推动了数字能源革命的发展。这些功率晶体管将能量转换成数据包，然后在高速嵌入式控制系统的控制下精确地对数据包进行转换和处理。目前，最常使用的设备类型之一是绝缘栅双极型晶体管或IGBT。20世纪80年代以来，IGBT技术已经经过了六次发展，平均每11年，其能源效率提高了一倍。预计到2020年，用于风能和太阳能农场的5兆瓦逆变器在体积上将比2000年的相同设备小27倍。能源与信息一样，也是所有其他现代技术的基础，能源的数字化将对商业和经济的发展起到重大的影响。

 

    “只需一个系统设计工具链，我就可以实现从设计到商用部署等一系列过程，从而显着缩短了许多项目的开发时间。现在，通过在已进行生产预验证且成本效益高的可部署硬件上进行原型验证，我们可以将商用硬件产品带到室外进行3个月的实地测试。而其他具有竞争力的Real-Time平台则需要更大规模的电路设计人员、DSP程序员、工程师和技术人员团队，而且仍然无法部署这些平台。”

 

-        Yakov Familiant, Eaton Corporation电力系统和架构首席工程师

 

    20世纪80年代以来，嵌入式处理器和FPGA的PPD (performance-per-dollar) 以惊人的速度增长 —— 超过500万倍。即使到了20世纪90年代末，模拟控制系统的 PPD 仍比数字控制系统高，但近几年摩尔定律的发展却使数字控制系统将模拟控制系统远远地甩在身后。最近，嵌入式计算芯片的性能又发生了一次变革。微处理器、DSP和FPGA这三种最常用的嵌入式处理技术已经集成到单个异构集成电路。几年前，FPGA和DSP合并到单个芯片组大大降低了集成成本，使数字控制系统的PPD增长了40倍。对于数字能源系统来说，其重要意义在于将DSP的高效计算能力与可重配置FPGA芯片的并行机制和硬件加速特性相结合。

 

    嵌入式计算芯片组的PPD每14个月增加一倍，且在未来几年内，这个周期将比嵌入式系统13个月的更短。这会使许多产品开发团队陷入不断需要重新设计的高成本高风险 “沙鼠轮”陷阱中。等到产品发布时，他们（和他们的竞争对手）已经可以购买到具有两倍PPD的芯片组。以当前的发展速度，嵌入式计算芯片的性能从2010年到2020年将提升2 ^ 8倍，所以2020年购买的处理芯片的PPD很可能比2010年的芯片高至少256(2 ^ 8)倍。

 

    需要不断重新设计产品线才能跟上摩尔定律指数增长的步伐，这一现实使大小型公司面临着日益严峻的挑战。许多高管和董事会成员都在思考是否有替代产品。

 

    幸运的是，现在有一种嵌入式设计方法可以使企业不断跑在摩尔定律曲线的前面，而且还可以控制成本和风险。该解决方案是一种混合方法，其中处理器/ DSP / FPGA板卡的开发外包。NI等供应商不仅提供具有已预验证的I/O接口块和系统级设计工具的可重配置商业现成(COTS)嵌入式系统，而且需要负责将设计不断更新到最新最高性能的PPD芯片组，以确保软件的连续性和长期的支持和服务。这样工程师团队只需专注于设计COTS嵌入式系统的自定义电路、机械性能和电力电子器件。其商业影响是使企业通过指数增长的PPD不断开发新特性和功能，从而更好地利用工程资源、降低风险、保持创新的能力和领先的竞争优势。

 

    让我们比较一下这两种方法的工程费用分配。在传统的FPGA板卡自定义设计中，70％至80％的FPGA软件开发成本用于开发输入/输出 (I/O)接口，而仅20-30％的费用用于算法开发。因此，大部分非经常性工程(NRE)费用被分配到从产品差异化的角度来看价值相对较低的任务。与此相反，采用具有内置I/O接口模块和系统级设计工具的COTS可重配置系统的团队通常将90％以上的FPGA软件开发费用分配到高价值任务上，比如算法设计、系统仿真和软件质量验证。

 

    在下图中，设计V流程解释了使用NI图形化系统设计设计数字能源系统的过程。它描述了一个可实现高质量产品设计、开发、验证和认证的可重复方法。设计V流程已经变成汽车和航空航天等行业的标准。

 

    如果嵌入式设计不是您的首要核心竞争力，那么请考虑一下采用可重配置COTS嵌入式系统进行嵌入式设计可以帮助您将工程费用更有效地用在核心差异化矢量上。

 

    设计V流程代表着嵌入式系统设计中可重复方法的标准。其所采用的系统级设计和验证工具以及可重配置COTS嵌入式系统不仅可以降低成本和风险，还可以帮助团队借助指数增长的PPD专注于新功能开发和创新。