anticache

Implementierung und Evaluierung einer heterogenen Plattform für die Leistungsflussregelung eines verteilten DC-DC Wandlers (Diplomathesis)

21.06.2013

Felix Kroiher


Abstract:

 

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines eingebetteten Systems, das als übergeordnete Leistungsflussregelung, Einsatz in einem modular aufgebauten, verteilten DC-DC-Wandler finden soll. Der Gleichspannungswandler ist für den Einsatz in Elektrofahrzeugen konzipiert und besteht aus bis zu sechs Modulen, die als autarke DC-DC-Wandler betrachtet werden können. Diese bedürfen einer übergeordneten Regelung, um gemeinsam und wirkungsgradoptimiert die geforderte Spannung bzw. Leistung bereitzustellen. Für das eingebettete System wird im Kern auf eine Kombination aus Mikrocontroller und FPGA gesetzt, um zum einen große Flexibilität hinsichtlich der Schnittstellen zu bieten und zum anderen zeiteffizient spezifische Regelungs- und Berechnungsaufgaben lösen zu können. Da der DC-DC-Wandler in kompakter SMD-Bauweise umgesetzt wurde, gilt für den Entwurf des entstehenden Systems das Ziel hoher Miniaturisierung. Einen entscheidenden Aspekt der vorliegenden Arbeit stellt die Kommunikation zwischen Mikrocontroller und FPGA dar, die durch eine parallele Schnittstelle realisiert wird. In der Logik des FPGAs wird ein Zustandsautomat implementiert, der sich gegenüber dem Speichercontroller des Mikrocontrollers wie ein SRAM verhält. Über diese Kommunikationsschnittstelle wird dem Mikrocontroller ermöglicht, dem FPGA bestimmte Aufgaben zu übergeben. Die Evaluation des Systems soll auf der einen Seite die Leistungsfähigkeit der Kommunikation untersuchen, auf der anderen Seite wird mittels generischer Anwendungsbeispiele der tatsächliche Nutzen der Kombination aus Mikrocontroller und FPGA hinterfragt. Arithmetische Operationen, der Cordic-Algorithmus, sowie das Bubblesort-Verfahren werden dazu auf FPGA und Mikrocontroller implementiert. Anschließend wird ein Vergleich zwischen der Ausführungsdauer der jeweiligen Berechnung auf dem Mikrocontroller und der Dauer der ausgelagerten Berechnung angestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Auslagerung bestimmter Aufgaben auf den FPGA, trotz der zusätzlichen Datenübertragung von Operanden und Ergebnissen, vorteilhaft auf die Gesamtdauer auswirken kann.