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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wieviel Platz Braucht ein FPGA


Autor: Jan (Gast)
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Hallo zusammen,

ich habe mal eine Frage zur Leistungsfähigkeit von FPGAs! Also ich habe 
bisher mit AVRs rum gespielt und das hat auch alles sehr gut geklappt! 
Eigentlich wollte ich als nächstes mal mit ARM anfangen nur was immer 
mehr mein Interesse weckt sind halt FPGAS.
Was für mich sehr schwer abzuschätzen ist und was ich auch nirgends 
finde ist wieviel man in so ein Ding reinkriegt! Also um es konkret zu 
machen überlege ich einem FPGA das fliegen bei zubringen ;) also wie das 
http://www.mikrokopter.de/ Projekt. Reicht da ein Pluto Board aus???

Von Atmel gibt es ja auch die AVR mit integriertem FPGA, dazu finde ich 
nix an Projekten etc an denen man lernen kann. Dazu dann noch die Frage 
wer hat schon mal ein AVR Software Core in den FPGA gesteckt (gibt es 
bei Opencores),  und mal wieder wie groß (Logik gatter) muss das Ding 
dann sein.


Bin für alle Infos dankbar und auch links wo ich mich dann selbst 
schlauer mach sind willkommen! :)

Gruß Jan

Autor: Markus K. (markus-)
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Warum willst Du unbedingt einen FPGA benutzen, wenn ein kleiner 
Mikrocontroller bereits ausreicht? Das macht das Ganze nur komplizierter 
und anfälliger, nicht besser.

Es gibt genügend Anwendungsfälle, wo man quasi zwingend einen FPGA 
braucht. Such Dir doch sowas aus, das macht dann sicher mehr Spaß.

Markus

Autor: Jan (Gast)
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Für mich ist das ganze Thema Elektronik mehr oder weniger nur Hobby, und 
daher wäre es für mich sehr interessant halt mal mit nem FPGA zu 
arbeiten!

Und da die bei dem beschriebene Projekt ja insgesamt 5 µC benutzen halte 
ich ein FPGA für ne alternative. Den Anspruch das es besser werden soll 
habe ich gar nicht, mir geht es einzig und allein darum was zulernen und 
spaß dabei zuhaben.

Was ist denn deiner Meinung nach etwas wo man eine FPGA zwingend 
braucht?


Jan

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Jan (Gast)

>Und da die bei dem beschriebene Projekt ja insgesamt 5 µC benutzen halte
>ich ein FPGA für ne alternative. Den Anspruch das es besser werden soll

Was soll das den werden? 5uC?

>Was ist denn deiner Meinung nach etwas wo man eine FPGA zwingend
>braucht?

Wo grosse Datenmengen möglichst fix verarbeitet werden müssen. Mbytes 
bis Gbyts/s. Oder dutzende PWMs. Irgendwelche SDRAM Controller, 
graphische LCD Controller, SPI-Parallel Wandler etc.

MFG
Falk

Autor: Markus K. (markus-)
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Jan wrote:
> Für mich ist das ganze Thema Elektronik mehr oder weniger nur Hobby, und
> daher wäre es für mich sehr interessant halt mal mit nem FPGA zu
> arbeiten!

Klar, das ist hier bei vielen so.
Aber dann macht es nicht so viel Sinn, in den FPGA einen MC zu packen. 
Da lernst Du nicht so viel über FPGAs.

> Und da die bei dem beschriebene Projekt ja insgesamt 5 µC benutzen halte
> ich ein FPGA für ne alternative. Den Anspruch das es besser werden soll
> habe ich gar nicht, mir geht es einzig und allein darum was zulernen und
> spaß dabei zuhaben.

Aber dafür fehlen Dir die A/D-Wandler.

> Was ist denn deiner Meinung nach etwas wo man eine FPGA zwingend
> braucht?

Mein Favorit ist Oversampling:
Man hat eine verrauschte Messung, die man oft wiederholen kann und z.B. 
1000 Messwerte vom A/D-Wandler benötigt. Zur Verbesserung des 
Rauschabstandes macht man die Messung 256x hintereinander und addiert 
die Werte. Wenn der A/D-Wandler 50MSPS hat, dann sind das 50 Millionen 
Additionen und noch mehr Speicherzugriffe pro Sekunde. Mit sowas kann 
man auch relativ große Mikrocontroller schnell plätten. Es ist von der 
Logik her aber eher primitiv und damit ideal für einen FPGA geeignet. 
Anwendungsfall sind z.B. Laserentfernungsmesser.

Ansonsten bietet sich z.B. Videosignalerzeugung (z.B. VGA) an. Das ist 
auch eher primitiv, aber man hat hohe Datenraten und es muss die ganze 
Zeit etwas getan werden.

Auch Bildverarbeitung/-erkennung kann man auf FPGAs ganz gut machen, 
allerdings werden da auch gerne DSPs genommen, weil die leichter und 
schneller zu programmieren sind.

Markus

Autor: tcfkat (Gast)
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FPGAs braucht man bei wirklich zeitkritischen Anwendungen, wo es um ns 
geht. Für alles Andere gibt es µC oder DSP..
FPGAs kommen von der Gesamtkomplexität nicht an die Möglichkeiten mit 
einer CPU heran...

Autor: Seff (Gast)
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Von den FPGAs gibt es auch beliebig viele Ausfuehrungen. Die kleineren 
nennen sich CPLD und sind mit EEPROMzellen versehen. Dh sie arbeiten ab 
powerup so wie sie programmiert sind. Die FPGA sind SRAM Basier und 
haben heute eine flash. Das bedeutet in einem bootprozess wird die Flash 
information vom flash in das SRAM geladen. Das kann bis 400ms dauern. 
Erst dann arbeitet das Device wie es programmiert wurde. Ein 
vernuenftiges CPLD hat bis 256 makrozellen mehr wird sehr teuer. Eine 
Makrozelle ist ein Flipflop plus eine Lookup table fuer logische 
operationen. Mit einem CPLD hat man im Wesentlichen einen Satz Zaehler 
und Register. Damit kann man beliebig schnelle Timings erzeugen resp. 
bearbeiten. Ei FPGA startet ab einigen Tausend Makrozellen, hat also 
viel mehr Moeglichkeiten. Zu beachten sind die Definitionen, auch beim 
Strombverbrauch. Ein Haupthersteller, zB geht von 15% benutzter Gatter 
aus. Schreibt das auch so fuer die, die's auch lesen. Wenn dann 100mA 
bei XX MHz spezifiziert sind, bedeutet das, dass es auch 700mA bei 
Vollauslastung sein koennen. Toll, wenn die Speisung gerade mal auf 
150mA designt wurde. Ein AVR und ein CPLD/FPGA ergaenzen sich sehr gut.

Autor: Artur Funk (Gast)
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>>FPGAs kommen von der Gesamtkomplexität nicht an die Möglichkeiten mit
>>einer CPU heran...

Kannst du das bitte erläutern, was du damit sagen willst?
Ich finde super, dass du freiwillig FPGAs lernen willst. Es ist ein 
Interessantes Thema. Und wenn du dich einließt, fallen die all die 
Möglichkeiten auf. Aber klar, viele Projekte sind vom Aufwand her mit 
einem µC schneller gemacht. Außer es geht um viel Leistung, die parallel 
erbracht werden muss.... Dafür gibt es keine µCs. FPGAs senden 
mittlerweile 10G Daten, die µCs fühlen sich mit 9600 Baud wohl, wenn du 
weißt, was ich meine.

Autor: tcfkat (Gast)
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Damit meine ich, wenn man die GESAMTkomplexität einer Baugruppe 
betrachtet, also Hardware und Software, kann man mit CPUs mehr 
erreichen, als mit einem FPGA... oder würdest Du einen PC komplett mit 
OS und Applikationen in einem FPGA realisieren? FPGAs haben ihre 
Berechtigung bei harten Realtime-Anforderungen.

Autor: René D. (Firma: www.dossmatik.de) (dose)
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Für ein Flugobjekt ist ein FPGA nicht zu gebrauchen. Er frisst zu viel 
Strom. Alle Zellen auch unbenutzt Gater vergeuden Energie. Da ist ein 
ARM schon stromsparender. Ich habe den Sprung vom AVR auch zum ARM 
gemacht, und es war schon ein ganzer Sprung. Man muss sich daran 
gewöhnen, dass es nicht mehr ein umfassendes Datenblatt gibt. Die 
Datenblätter für die AVRs sind sehr übersichtlich.
Beim ARM gibt es für den CORE das Datenblatt. Beim Chip Hersteller das 
Datenblatt für die Peripherie. Und dann hat man noch ein 
Einsteigerboard, wo die Dokumentation auch nicht ganz vollständig ist.

an Markus Kaufmann,
du benutzt Oversampling in FPGAs zur Laserentfernungsmessung. Hast du 
dazu ein paar Infos? Welche Größe wird gemessen? Um eine 
Entferungsmessung im cm Bereich durch Laufzeit zu erfassen, muss man in 
den ps Bereich. Mit 50MHz wird es da sicher noch sehr knapp. Oder hasst 
du eine sehr hohe ADC Auflösung?

Autor: Jan (Gast)
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Hallo,

also schon mal danke an alle für die antworten!

Was ich jetzt das erstmal höre ist das die FPGAs so viel Strom brauchen! 
Dann macht es wirklich keinen Sinn ein Softcore zu benutzen.

Aber die Verbindung von µC und FPGA wird dann immer wahrscheinlicher.

Kann mir jemand bei der Abschätzung der große helfen, wenn ich folgendes 
machen möchte. (Nur noch mal kurz, es soll ja ein flugobjekt wie 
http://www.mikrokopter.de/ werden)

@ Falk Brunner

Die benutzen 5 µC: 1 macht die ganze flugsteuerung und 4 stück sind ein 
gesetzt als motorcontroller für die bldc motoren.

Ich würde mir die Aufteilung jetzt so vorstellen:
Der AVR (vielleicht auch ARM) übernimmt die flugsteuerung und der fpga 
soll dann die Motorsteuerung aller 4 motoren übernehmen. Sowie die 
Messwertaufnahme und Vorverarbeitung.


Im einzelnen bedeutet das:
Motorsteuerung: Erkennung der Umschaltpunkt der 3 phasen der motoren und 
die Regelung der PWM für die Leistung. Ganz schick wäre wenn ich dem 
FPGA eine soll Drehzahl vorgebe, die er dann selbst einregelt. (Sollte 
ja ein Problem sein, oder?)


Messsignale:
Also man braucht wenigstens schon mal 6 "relativ" schnelle Analogkanäle 
für die Gierraten und die Beschleunigen in allen Raum-Axen. Die sollen 
dann auch schon gefiltert etc werden (so wie vorgeschlagen Einsatz eines 
FPGA :) ). Muss ich nochmal den Ordner für Digital Filter hervorkramen. 
;)


Ich habe mal etwas rum geschaut und das hier gefunden: 
http://www.knjn.com/board_Xylo.html wäre beides schon drauf ;), aber 
welche ausbau stufe muss ich nehmen, ich hätte jetzt mal auf "Saxo-L 
FPGA + ARM board" getippt.

Was für ein A/D Wandler gibt es denn der leicht an ein FPGA zu hängen 
ist, ich wollte ja nicht einen per SPI dran hängen das macht für mich 
keinen Sinn! (Ich schau gleich mal wenn jemand aber schon was weiß .... 
;)


Gruß Jan

Autor: Seph (Gast)
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Die analogen Messkanaele fuer die Positionsmessung sind nicht ganz so 
schnell. Ein Beschleunigungssensor macht hechstens 100Hz, dh man ist mit 
einem kilosample locker dabei. Der Einsatz eines FPGA bringt 
wahrscheinlich nichts.

Autor: tcfkat (Gast)
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@René: Ein ARM ist eine full-fledged RISC-CPU, ein AVR ein µC... das ist 
Äpfel mit Birnen vergleichen.

@Jan: Ich sehe immer noch nicht die Notwendigkeit für ein FPGA... es sei 
denn, man will unbedingt ein FPGA einsetzen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Jan (Gast)

>Was ich jetzt das erstmal höre ist das die FPGAs so viel Strom brauchen!

Was heisst viel? Ein kleineres FPGA, in das schon ne MENGE reingeht 
braucht vielleicht 20-50mA. Jaja, ein AVR braucht einen Bruchteil davon. 
Dafür kann das FPGA den hundertfachen Datendurchsatz verarbeiten, wenn 
es nötig sein sollte.

>http://www.mikrokopter.de/ werden)

Coole Sache ;-)

>Ich würde mir die Aufteilung jetzt so vorstellen:
>Der AVR (vielleicht auch ARM) übernimmt die flugsteuerung und der fpga
>soll dann die Motorsteuerung aller 4 motoren übernehmen. Sowie die
>Messwertaufnahme und Vorverarbeitung.

Kann man machen.

>Motorsteuerung: Erkennung der Umschaltpunkt der 3 phasen der motoren und
>die Regelung der PWM für die Leistung. Ganz schick wäre wenn ich dem
>FPGA eine soll Drehzahl vorgebe, die er dann selbst einregelt. (Sollte
>ja ein Problem sein, oder?)

Yep.

>Also man braucht wenigstens schon mal 6 "relativ" schnelle Analogkanäle
>für die Gierraten und die Beschleunigen in allen Raum-Axen. Die sollen

ADC mit 6 Kanälen.

>welche ausbau stufe muss ich nehmen, ich hätte jetzt mal auf "Saxo-L
>FPGA + ARM board" getippt.

Sieht gut aus.

>Was für ein A/D Wandler gibt es denn der leicht an ein FPGA zu hängen
>ist, ich wollte ja nicht einen per SPI dran hängen das macht für mich
>keinen Sinn! (Ich schau gleich mal wenn jemand aber schon was weiß ....

???
Warum macht das keinen Sinn? SPI ist schnell und einfach handhabbar. Der 
FPGA kann problemlos 50 MHZ SPI-Takt verarbeiten.

MFG
Falk

Autor: Frank (Gast)
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Vorneweg: Ich bin auch ein FPGA Fan. Die Dinger sind einfach nur geil.
Aber: In dieser Anwendung einfach fehl am Platz.
1. Preis: 4x Mega8 = 4x 1.39 Euro (CSD), dazu minimales Hühnerfutter.
          FPGA > 10 Euro + verschiedene Spannungsversorgungen + ADC
    Allerdings zählt das im Hobbybereich nicht unbedingt viel. Ist mir 
klar.

2. Lokalität: Die Controller können mit Leistungsteil direkt bei den 
Motoren platziert werden. Der FPGA müsste wohl irgendwo in die Mitte.

3. Flexibilität: Hört sich jetz blöd an, aber ein Regler für ein 
derartig nichtlineares System (krasse Stellgrößenbegrenzung) kann schon 
mal Strukturumschaltungen nötig machen. Das müsste im FPGA ohne Softcore 
parallel implementiert werden, was die Effizienz wieder verschlechtert.

4. Entwicklungsaufwand: Bis man ein sauberes Design in VHDL zu Stande 
bringt, braucht man schon einiges Hintergrundwissen bezüglich 
Digitalelektronik. Wenn man sich dann doch mal nen Baustein schießt, 
ists bei einem µC weit weniger tragisch.

Also für dieses Projekt würde ich bei µC bleiben. Für andere sind 
FPGAs geeigneter. Und interessant sind sie sowieso.

Autor: Chrisi (Gast)
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Nochmal kurz zum Stromverbrauch:

Wenn ich mir vorstelle, dass die Flugzeit eines RC-Fliegers maximal 20 
Minuten ist, kann ich dieses Argument einfach nicht nachvollziehen.

Autor: Andreas Schwarz (andreas) (Admin) Benutzerseite Flattr this
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tcfkat wrote:
> @René: Ein ARM ist eine full-fledged RISC-CPU, ein AVR ein µC... das ist
> Äpfel mit Birnen vergleichen.

Ein ARM ist erstmal nur ein Prozessorkern. Mikrocontroller mit ARM-Kern 
sind inzwischen für viele Anwendungen eine Alternative zum AVR.

Autor: Markus K. (markus-)
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René D. wrote:
> an Markus Kaufmann,
> Um eine
> Entferungsmessung im cm Bereich durch Laufzeit zu erfassen, muss man in
> den ps Bereich. Mit 50MHz wird es da sicher noch sehr knapp. Oder hasst
> du eine sehr hohe ADC Auflösung?

Wenn man die Pulsform kennt, dann kann man ja zwischen den Samples 
interpolieren und damit die Genauigkeit erhöhen. Wenn der A/D-Wandler 8 
Bit hat und man 256x Oversampling macht, dann hat man hinterher im 
Idealfall 16 Bit. Wobei man diese vielen Bits hauptsächlich wegen der 
Dynamik braucht, im Nahbereich reichen die 8 Bits durchaus aus.

Markus

Autor: Markus K. (markus-)
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Heiner D. wrote:
>>Wenn man die Pulsform kennt, dann kann man ja zwischen den Samples
>>interpolieren und damit die Genauigkeit erhöhen.
>
> Witzbold. Wenn man die Pulsform kennt, braucht man nicht mehr messen und
> interpolieren, weil man dann alle Samples vorhersagen kann.

Man hat den Laserpuls ja selber weggeschickt. Deswegen kennt man seine 
Form. Was man nicht kennt, ist die genaue Position, weil die ja von der 
Entfernung des Ziels abhängt.

> Ansonsten
> gilt das Abtasttheorem und da kommst du auch mit noch soviel Phantasie
> nicht herum.

Das Eingangssignal muss natürlich bandbreitenbegrenzt sein. Dann kann 
man es z.B. mit sinc interpolieren und bekommt ein besser aufgelöstes 
Signal und kann anhand dessen die Entfernung des Zieles genauer 
ermitteln.

> Wenn du das ernst meintest, solltest du dir etwas Grundlagenwissen
> aneignen, bevor du weitere Ratschläge gibst.

Das habe ich mir nicht ausgedacht, das funktioniert so.

Markus

Autor: Markus K. (markus-)
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Heiner D. wrote:
>>Man hat den Laserpuls ja selber weggeschickt. Deswegen kennt man seine
>>Form. Was man nicht kennt, ist die genaue Position, weil die ja von der
>>Entfernung des Ziels abhängt.
>
> Na klar. Und wenn es mal ein bißchen mehr rauscht als erwartet, geht auf
> einmal gar nichts mehr.

Wenn es stärker als erwartet rauscht, dann ist es halt falsch designed. 
Bis jetzt hatten wir aber in einer relativ stark gestörten Umgebung noch 
keine Probleme.

> Wenn du bloß auf die Flanke eines wie auch immer gefilterten Pulses
> triggern willst, bist du eigentlich mit ein bißchen schneller
> Analogelektronik weitaus besser bedient.

Ich will ja nicht einfach triggern. Denn dann bräuchte ich ja noch einen 
Zähler im GHz-Bereich.

> Aber heutzutage, wo ein simples
> RC-Glied vorzugsweise in einem FPGA simuliert wird,

Die Bandbreitenbegrenzung geschieht natürlich analog, nicht im FPGA.

> da es fertige
> Programme fürs Design digitaler Filter gibt,

Warum sollten handberechnete Filter besser sein?

> aber nicht zum Löten einer Platine,

Warum sollte ich 200polige Käfer von Hand löten wollen?

> Wieso predigst du, keine FPGAs einzusetzen, wo Mikrocontroller besser
> geeignet sind, aber du quälst Analogelektronikersatz in einen FPGA?

Weil das analog nicht einfacher ist. Das Eingangssignal hat in meinem 
Fall eine Dynamik von etwa 170dB. Ohne Oversampling (und ein paar 
anderen Dingen) wäre wohl das Rauschen deutlich stärker als die 
schwächsten Ziele. Wie sollte man da überhaupt analog triggern?

Autor: Berater (Gast)
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Das ist ein guter Punkt! Bei meinem Letzten Projekt musste ich auch 
richtig ordentlich Glättung in einen DAC-ALOG einbauen (2 Wochen 
Arbeit!) nur weil einer die Anti-Aliasing-Problematik nicht kapiert hat 
und am Analogteil / Ausgang des DACs das AA-Filter fehlte ...

Autor: Andi (Gast)
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Jan
Was ideal wäre für so einen Mikrokopter ist ein Propeller Chip (nur 
schon wegen dem Namen).
Der hat 8 Prozessoren auf einem Chip mit gemeinsamem RAM. Stromverbrauch 
wie uCs und Leistungsfähig wie ein kleines FPGA. Erhältlich im DIL40 der 
TQFP44.
Und sehr einfach programmierbar.

http://www.parallax.com/propeller/index.asp

Autor: Andreas Schwarz (andreas) (Admin) Benutzerseite Flattr this
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Ein FPGA ist für so eine Anwendung völliger Overkill. Daran kannst du 
wieder denken wenn deine Regelkreise bei 50 MHz oder mehr arbeiten 
müssen. Ansonsten gibt es wenn der AVR nicht reicht noch genügend andere 
Mikrocontroller auf die man umsteigen kann, z.B. ARM-basierte, oder, 
wenn man das Multicore-Konzept mag, der Propeller.

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