標題：FPGA技術在車載測試中的應用
為了保證順利完成試驗目的，測試系統(tǒng)必須具備高度的可靠性，比如，確保在汽車碰撞試驗中將傳感器測量數據和圖像數據記錄下來。另外，測試環(huán)境比較復雜，比如燃料電池測試中的電池堆共模電壓可能超過千伏，需要有良好的對地隔離性能。考慮測試空間、預算等因素，廠商也希望能夠用一個集成的高度可靠的測試系統(tǒng)替代這些不同的分立測試設備，可根據具體應用定義功能，同時又能滿足測試環(huán)境和技術指標的要求。
因為現場可編程門陣列（FPGA）技術具有自定義邏輯功能和高可靠性的特點，所以，工程師可將FPGA技術融入測試系統(tǒng)，解決上述車載測試困難，同時滿足低成本、系統(tǒng)可擴展性和復雜的測試環(huán)境要求。本文將探討FPGA相關技術在車載測試中的應用。
FPGA技術一個平臺 多種應用
FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可編程器件進一步發(fā)展的產物，其邏輯功能由內部規(guī)則排列的邏輯單元陣列(Logic Cell Array)完成。邏輯單元陣列內部包括可配置邏輯模塊（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。工程師可通過軟件編程實現FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實現自定義的邏輯。
FPGA技術有很多優(yōu)勢，包括自定義I/O硬件定時和同步、高度可靠性、數字信號處理和分析等。這些優(yōu)勢為快速增長的汽車電子">汽車電子測試技術提供了靈活的低成本解決方案。下文以車載測試為例進行討論。
不同車載測試的技術指標也不同，包括采樣率、信號調理、處理和分析。比如，采樣率范圍從GPS數據記錄的15Hz到碰撞試驗的200kHz不等。而FPGA直接連接到數字和模擬I/O，可對各通道定義不同的采樣率和觸發(fā)。所以，可應用FPGA技術實現單個系統(tǒng)解決所有這些車載測試應用，避免定制硬件或多個測試系統(tǒng)的需要。即單個FPGA平臺既可用于低速、高精度GPS或溫度記錄；又可通過快速編程實現用于有高采樣率要求的碰撞試驗；也可將不同采樣率以并行方式共存于同一個測量應用中，比如，在配置FPGA實現10Hz溫度采集的同時進行50kHz的振動測試；并可實現任何I/O之間的同步，比如，實現CAN總線數據和數字或模擬I/O信號間納秒級的同步測量。沒有FPGA技術，則很難實現單個系統(tǒng)同時滿足這些不同的車載測試需求。
應用FPGA技術，可對任何傳感器信號進行高級信號處理和分析。在很多信號處理系統(tǒng)中，底層的信號預處理算法要處理大量的數據，對處理速度要求很高，但算法相對簡單，可用FPGA進行編程實現。此外，可很方便地在FPGA上實現對所采集的信號作數字濾波運算、快速傅立葉變換（FFT）、加窗等多種信號處理和分析。傳感器級信號處理和分析功能使FPGA技術已成功應用于高速數據采集處理卡和高速圖像采集處理卡的研發(fā)。
此外，利用FPGA可自定義邏輯功能開發(fā)定制板卡，用于發(fā)動機控制單元(ECU)的快速原型設計和硬件在環(huán)仿真(HIL)等研究。FPGA可實現硬件層面極快的閉環(huán)控制循環(huán)速率。通過FPGA編程對CAN、模擬或數字的信號輸入作出快速響應，同時FPGA的并行性允許將多個快速控制循環(huán)集成在同一個系統(tǒng)中。例如，Drivven公司應用FPGA的可重復配置性能，實現了Yamaha YZF-R6發(fā)動機控制系統(tǒng)的原型設計，而避免了在設計過程中購買多個定制硬件的需要，從而降低了成本；MicroNova同樣使用基于具有高可靠性、可定制邏輯功能的FPGA硬件平臺實現了世界上第一個V12汽油發(fā)動機的硬件在環(huán)仿真。
圖形化FPGA編程
FPGA技術有很多優(yōu)點，比如可自定義邏輯、高可靠性等，可廣泛應用于車載測試和開發(fā)定制板卡。但工程師在FPGA編程時，往往需要掌握硬件設計語言如VHDL之類的知識。而圖形化開發(fā)工具，比如National Instruments (NI)的高效圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW，則是專為需要建立靈活的可擴展性測試測量和控制應用系統(tǒng)的工程師和科學家設計的，以滿足他們以最小的成本、最快速的開發(fā)系統(tǒng)的需求。
LabVIEW直觀的圖形化開發(fā)特性，可使工程師把更多的精力集中在功能開發(fā)上，而不是代碼撰寫上，進而大幅縮短開發(fā)時間和成本。LabVIEW又是一個開放性的軟件平臺，對于一些特定的應用，提供多種工具包和模塊來提升和加速系統(tǒng)開發(fā)。比如，LabVIEW FPGA模塊，工程師就無須硬件描述語言和硬件設計相關專業(yè)知識，便可在WINDOWS操作系統(tǒng)上，通過圖形化開發(fā)自定義的FPGA邏輯代碼并下載到FPGA硬件目標，來實現創(chuàng)建自定義硬件。如圖1所示在FPGA上實現CAN數據和數字或模擬信號間納秒級的同步測量。當測試要求改變時，可通過下載新的代碼到FPGA，而無需新的定制硬件。同時，提供VHDL語言接口，為方便工程師直接使用現成的VHDL代碼。LabVIEW Real-Time模塊用于針對實時硬件目標開發(fā)時間確定性的應用程序；嵌入式開發(fā)系統(tǒng)模塊適用于任何32位處理器的圖形化開發(fā)；DSP模塊則適用于圖形化DSP算法開發(fā)，集成數字濾波器設計工具包；信號處理工具包適用于測試數據的高精度頻譜分析和顯示。總之，圖形化開發(fā)軟件LabVIEW將極大地提高工程師的工作效率。
圖1 用NI LabVIEW實現FPGA圖形化編程
使用LabVIEW FPGA軟件和可重復配置硬件技術，可創(chuàng)建高性能的控制和采集系統(tǒng)。下面舉兩個例子，有關基于FPGA技術的硬件平臺在車載測試中的應用。
用戶解決方案1：便攜式車載數據采集系統(tǒng)
車載數據采集的信號類型包括溫度信號（熱電偶、RTD）、聲音和振動信號（帶IEPE激勵的加速度傳感器或麥克風）、壓力和載荷信號（應變計或稱重傳感器）、位置信號（LVDT或線性電位計）、速度信號（編碼器）、控制總線信號（CAN,J1350,ODBII），以及視頻信號等。這些信號都是用于汽車性能的評價。
德國Goepel Electronic公司在面臨上述信號類型、環(huán)境條件復雜、有大量數據存儲要求，用于車載測試分析和在線診斷的便攜式測試設備時，選擇了NI CompactRIO嵌入式控制系統(tǒng)，LabVIEW FPGA模塊和LabVIEW Real-Time模塊。在很短的時間內開發(fā)了CARLOS (in-car logging system)，加上CompactRIO平臺的低成本解決方案，從而大大節(jié)省了預算。
圖2 Goepel CARLOS 車載數據采集系統(tǒng)
CompactRIO硬件平臺（參看圖2）是一個基于FPGA技術的嵌入式系統(tǒng)。FPGA芯片是CompactRIO體系結構的核心，直接和相應的車載模塊相連。車載模塊可直接和車用傳感器、執(zhí)行器和網絡相聯，并提供信號調理、隔離和汽車總線。該平臺包含一個嵌入式實時處理器，可用于獨立工作、確定性控制、車載數據記錄和分析等。CompactRIO具有小型、堅固的機械封裝、可承受50g沖擊和-40 oC到70 oC工作溫度范圍等特點，提供雙電壓輸入（9~35V），可直接從車上電池取電。這些都使CARLOS適用于復雜的車載測試環(huán)境和有限的測試空間。
該系統(tǒng)已成功用于實驗室、風洞和試驗場上的汽車測試，可長時間記錄數據。另外，可通過選擇相應的車載模塊和內置的應用程序，實現不同測試的需求。比如為了實現冬季或夏季試驗中發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的評價，只需選擇溫度等信號對應的車載模塊和已開發(fā)好的LabVIEW應用程序即可；同時，該程序提供報警、用LabVIEW報告生成工具包實現數據寫入EXCEL表格、或直接寫進數據庫、歷史數據查看等功能。此外，基于FPGA的CompcatRIO開放試架構允許用戶擴展系統(tǒng)或進一步開發(fā)自定義的測試系統(tǒng)。
用戶解決方案2：自定義遠程模塊開發(fā)
無線通信技術已廣泛應用于汽車在行進中實現監(jiān)控狀態(tài)、精確定位或遠程通信，包括GPS導航和精確定位、胎壓監(jiān)測等；其中，GPS在日本和歐美汽車上安裝的普及率逐年上升，在國內也越來越受關注。
德國S.E.A. Datentechnik GmbH公司針對車載無線通信測試的需求，為了盡快將產品投入市場，選擇了基于FPGA技術的CompactRIO開放式硬件平臺和LabVIEW開發(fā)環(huán)境。根據車載遠程控制、數據采集、位置跟蹤等應用需求開發(fā)了cRIO GPRS（General Packet Radio Service）、 cRIO GPS（Global Positioning System）、cRIO RCC（Radio Controlled Clock）和一個混合模塊cRIO Gxxx，如圖3所示。最終，整個項目的開發(fā)時間比原計劃提前了40%。
圖3 S.E.A. Datentechnik遠程模塊
GPS模塊通過接收L1波段的GPS信號實現精確的定位。接收機可以在啟動之后將數據轉換成NMEA 0183格式，以便進一步分析。備份電池可以保證接受機的記憶功能，存儲以前的信息，比如位置數據。該模塊可用于汽車導航、精確定位。GPRS模塊通過GSM/GPRS公網進行測量數據和事件消息傳輸，同時使用SIM卡讀卡器接入GSM/GPRS網絡，以短信方式手法數據，可應用汽車防盜系統(tǒng)。RCC模塊用于分布式系統(tǒng)的時間同步；混合模塊則集合了以上功能。在車載應用時，CompactRIO嵌入式系統(tǒng)的高度可靠性得以充分體現。
這些模塊除用于車載測試外，還可廣泛應用于ATM終端、工業(yè)和醫(yī)療遠程系統(tǒng)、遠程診斷等。
總結
FPGA技術帶來了車載測試技術的創(chuàng)新，憑借開發(fā)基于FPGA硬件的單個系統(tǒng)可以解決不同的車載測試應用，而無需多個定制的測試設備。圖形化FPGA編程則進一步縮短開發(fā)時間。NI CompactRIO是基于FPGA的硬件平臺之一，用戶可以開發(fā)適用于涉及汽車總線、不同信號類型的車載測試應用，甚至可以自己定制開發(fā)模塊實現特定的車載測試功能。