工程师讲解设计安全工业芯片系统的验证方法

工业自动化、物流以及智能电网等很多 工业 领域都要求机械设备和产品具有安全性，经过了功能安全认证。当开发必须符合全世界安全标准的机械设备时，灵活性和逐渐增高的安全成本是非常重要的决定因素。在这些应用中，安全要求产生了新的机械开发过程，增加了电子设备的复杂度，一般会导致显著增加硬件成本，延长了产品面市时间。工业芯片系统能够帮助工程师在获得IEC 61508产品认证过程中节省18个月的设计时间。具有Altera FPGA等经过认证的器件意味着，设计人员可以充分发挥FPGA的灵活性优势，不用担心这些器件能否用于安全应用。

设计挑战

采用“安全”设计方法以及安全概念。

需要更多的工程投入(时间和技术)，结果产品推迟面市，提高了总体拥有成本。

工程管理，采集所有系统组件的数据，根据安全规范要求对工程进行记录。

成功设计的关键是采用经过验证的设计方法，合格的工具和器件作为产品的一部分，从产品开发的一开始就考虑安全问题。

典型的应用步骤

体系结构开发

组件选择

应用设计实现

集成和测试

发布

应用设计实现

通信协议、FPGA的存储器接口IP、或者嵌入在FPGA中的Altera Nios II嵌入式处理器IP等复杂系统功能，通常用于运行驱动应用中工业以太网协议的软件堆栈，这些都需要进行安全应用分析、测试和认证。

安全驱动的例子

具有安全I/O的这一驱动实例采用了Altera认证过的FPGA设计工具Quartus II软件9.0 SP2，以及所建议的设计方法实现这一应用实例。此外，如图1所示，这一应用使用了两片FPGA，而没有采用外部处理器和DSP。该应用被划分成几个Nios II软核处理器内核。第一个Nios II软核处理器提供通信堆栈支持，第二个处理系统控制，第三个Nios II处理器集成在电机控制模块中。对电机控制算法进行了划分，其软件部分运行在Nios II处理器上，针对这一应用而专门开发的硬件模块加速电机控制环的实现。外部安全控制器提供SIL3应用所需要的冗余功能。

图1.安全驱动的两片FPGA实现

这一解决方案在一片FPGA中结合了安全控制器和现场总线控制器，使用Altera的SOPC Builder系统集成工具，集成了Nios II软核处理器、其他通信IP模块，以及编码器接口和存储器接口。芯片驱动的安全性

对于FPGA中关键而又常用诊断任务的底层监视功能，这一实例使用了Altera的 安全 认证诊断IP模块。这些诊断IP设计满足IEC 61508规范要求，完成以下常用诊断功能：

循环冗余校验(CRC)计算——用于很多系统中，特别适用于现场总线应用。

提取时钟检查——这一内核检查是否有系统时钟以及时钟频率。

SEU检查控制器——这一模块采用了器件中的内置软错误检查硬件，监视软错误导致的变化。

由于这些硬核IP是在FPGA逻辑区中实现的，因此，系统处理器不再承担这些任务。在认证方法方面，Altera采用了IEC规范，分析了FPGA设计方法和相关要求。从这一分析中，Altera形成了工具流文档。这一工具流的中心主题是对Altera开发的FPGA V-Flow的描述，如图2所示。

图2.工具流

总结　

通过重新使用符合预认证两芯片方法的驱动系统概念，按照经过认证的设计方法、设计流程、工具和IP，通常能够加速实现典型的应用开发过程。由于能够立即使用组件的可靠性数据，提供的格式很容易集成到安全认证的所有文档中，因此，加速实现了认证过程。在安全设计和系统设计中，设计人员可以充分利用灵活的FPGA设计集成功能。由于 安全 已经成为具体应用的关键需求之一，因此，它含在整个概念中，通过满足成本和产品及时面市目标来实现它。