Ứng dụng Điều Khiển Động Cơ và DSP trên Hệ Thống AMD Kria K24 Zynq Ultrascale+

Bo mạch SOM (System-on-Module) AMD Kria K24 với chip MPSoc Zynq UltraScale+ được tùy chỉnh và đi kèm với bộ kit ban đầu KD240, được thiết kế để phát triển các ứng dụng công nghiệp và thương mại cần tối ưu chi phí.

Mô-đun Kria K24 mới có kích thước tương đương một nửa thẻ tín dụng và sử dụng nửa công suất so với mô-đun Kria K26 SOM lớn hơn, tuy nhiên, nó vẫn tương thích với cổng kết nối của Kria K26. Sản phẩm này đã được giới thiệu vào năm 2021 cho các ứng dụng thị giác máy tính khi công ty vẫn mang tên Xilinx. 

Điều này có nghĩa rằng bo mạch mang K26 hiện có có thể được tái sử dụng với mô-đun Kria K24 mà không cần phải sửa đổi PCB. Cần lưu ý rằng, trên mô-đun mới chỉ có một đầu nối 240 chân, cộng thêm một đầu nối bổ sung với 40 chân.

Thông số kỹ thuật AMD Kria K24:

• MPSoC – Zynq Ultrascale+ XCK24 được xây dựng tùy chỉnh
  • Bộ xử lý lõi tứ Arm Cortex-A53 lên tới 1,3 GHz
  • Bộ xử lý thời gian thực Arm Cortex-R5F lõi kép lên tới 533 MHz
  • GPU Mali-400 MP2 lên tới 600 MHz
  • Chip FPGA với các cell logic 154K
  • Bộ xử lý deep learning AMD – B2304 DPU với 852 GOPS
  • SRAM trên chip 9,4 Mbit (RAM phân tán & RAM khối)
• Bộ nhớ hệ thống – 2GB 32-bit LPDDR4 @ 1066 Mbps với ECC trên mô-đun cấp công nghiệp
• Lưu trữ – TBD
• 1x đầu nối bo mạch với bo mạch 240 chân và 1x đầu nối bo mạch với bo mạch 40 chân
  • Kết nối mạng – Ethernet lên tới 4x 1 Gbps (2x PS GEM, 2x PL GEM)​
  • Truyền động & Điều khiển Động cơ – Bộ biến tần ba pha, Bộ mã hóa cầu phương, Điều khiển phanh, Giao diện cảm biến mô-men xoắn​
  • USB – 2x USB 2.0 / 3.0​
  • Khác – CAN, RS-485, GPIO, v.v…
• Bảo mật – Tiêu chuẩn IEC 62443 với phần cứng tin cậy (RSA, AES và SHA); thiết bị TPM 2.0 rời rạc
• Kích thước (có bộ tản nhiệt) – 60 x 42 x 11mm
• Hai phiên bản
  • Thương mại – Phạm vi nhiệt độ từ 0 đến 85°C, bảo hành 2 năm, tuổi thọ hoạt động 5 năm, độ sẵn sàng 10 năm
  • Công nghiệp – Phạm vi nhiệt độ –40 đến 100°C, hỗ trợ bộ nhớ ECC, bảo hành 3 năm, tuổi thọ hoạt động 10 năm, độ sẵn sàng 10 năm

Điều làm cho K24 SOM đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng điều khiển động cơ và DSP là độ trễ thấp chỉ 120 ns, theo AMD tuyên bố, thấp hơn gấp đôi so với bộ xử lý Texas Instruments AM64x, và hiệu suất xử lý DSP cao hơn so với các giải pháp dựa trên GPU của NVIDIA như Jetson TX2 và Jetson Nano, đồng thời chỉ tiêu thụ 2,5W điện năng.

So sánh độ trễ dựa trên kết quả độ trễ được Texas Instruments (TI) báo cáo khi triển khai vòng điều khiển toàn diện trên bảng TMDS64EVM của TI, sử dụng điểm chuẩn của TI so với kết quả độ trễ của việc triển khai vòng điều khiển hoàn toàn bằng thuật toán Điều khiển Định hướng Trường được thiết kế bởi Qdesys và chạy trên Bộ khởi động KD240. AMD cũng tuyên bố rằng lợi thế về độ trễ đã được cải thiện lên tới 7 lần khi số lượng trục động cơ tăng lên. Mức tiêu thụ năng lượng khi không hoạt động/mặc định được đo bằng tiện ích nền tảng xmutil trên Kria K24 SOM trong khi tải dòng bit vào SoM. AMD sử dụng con số NVIDIA công bố cho mức tiêu thụ năng lượng mặc định/khi không hoạt động của Jetson Nano (10W) và Jetson TX2 (15W) để thực hiện so sánh.

Mô-đun Kria K24 chạy các bản phân phối PetaLinux hoặc Ubuntu Server 22.04 Linux, được xây dựng trên nền Yocto và hỗ trợ tăng tốc CTNH với thư viện điều khiển động cơ Vitis. Ngoài ra, người dùng có thể cài đặt các ứng dụng bổ sung từ Kria App Store, và có thể lập trình mô-đun bằng Python và môi trường MATLAB Simulink. Bộ kit ban đầu KD240 cũng được giới thiệu dưới đây. Thêm thông tin chi tiết về phần mềm có thể được tìm thấy trong wiki. 

Thông số kỹ thuật của kit ban đầu KD240:

• SoM – Kria K24 SOM như mô tả ở trên được trang bị tản nhiệt
• Bộ nhớ Flash – QSPI 512 Mbit, khe cắm thẻ MicroSD đều có khả năng khởi động
• Kết nối mạng
  • Cổng 2x PL Gigabit Ethernet RJ45 có hỗ trợ kết nối mạng nhạy cảm với thời gian (TSN) và EtherCAT
  • 1x cổng RJ45 Gigabit Ethernet của PS
• USB – 2x cổng USB 3.0 loại A
• Serial – CAN Bus và khối thiết bị đầu cuối RS485
• Điều khiển động cơ
  • Đầu nối cảm biến mô-men xoắn
  • Đầu nối động cơ 3 pha
  • Đầu nối điều khiển phanh​ Đầu nối
    DC Link
  • Đầu nối QEI (Giao diện bộ mã hóa cầu phương) một đầu
  • Đầu nối QEI vi sai
• Mở rộng
  • Đầu nối PMOD 12 chân
  • Giao diện 1 dây
• Gỡ lỗi – Đầu nối JTAG, cổng micro USB cho JTAG/serial
• Linh kiện khác – Đầu nối quạt
• Nguồn điện – Giắc cắm DC
• Kích thước – 124 x 142 x 37 mm
• Trọng lượng – 237 gram

Các ứng dụng mục tiêu bao gồm hệ thống động cơ điện, robot để tự động hóa nhà máy, phát điện, giao thông công cộng như thang máy và tàu hỏa, robot phẫu thuật, thiết bị y tế như giường MRI và trạm sạc xe điện (EV).