FPGA技術(shù)在汽車(chē)電子中的應用

　　因為現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù)具有自定義邏輯功能和高可靠性的特點(diǎn)，所以，工程師已將FPGA技術(shù)融入測試系統，解決汽車(chē)電子設計與測試的困難，同時(shí)滿(mǎn)足低成本、系統可擴展性和復雜的測試環(huán)境要求。本文將探討FPGA相關(guān)技術(shù)在汽車(chē)電子中的應用。

　　FPGA技術(shù)的應用領(lǐng)域

　　FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可編程器件進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，其邏輯功能由內部規則排列的邏輯單元陣列完成。邏輯單元陣列內部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內部連線(xiàn)(Interconnect)三個(gè)部分。工程師可通過(guò)軟件編程實(shí)現FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實(shí)現自定義的邏輯。

　　FPGA技術(shù)有很多優(yōu)勢，包括自定義I/O硬件定時(shí)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(cháng)的汽車(chē)電子測試技術(shù)提供了靈活的低成本解決方案?；贔PGA技術(shù)的汽車(chē)電子應用主要包括車(chē)載數據采集和對電子控制單元(ECU)的硬件在環(huán)(HIL)仿真。

　　1) 車(chē)載數據采集

　　車(chē)載數據采集系統(IVDAS)作為最常見(jiàn)的汽車(chē)電子測試應用之一，主要用于記錄和分析汽車(chē)內的多種傳感器的信號，同時(shí)對測試系統的可靠性、便攜性和開(kāi)發(fā)性等具有較高的要求。車(chē)載應用涉及的技術(shù)指標包括采樣率、信號調理、處理和分析等。例如，采樣率的范圍從GPS數據記錄的15Hz到碰撞試驗的200kHz不等，由于FPGA可以直接連接到數字和模擬I/O，并可對各通道定義不同的采樣率和觸發(fā)。所以，基于FPGA技術(shù)的系統可以同時(shí)解決這些車(chē)載測試應用，避免定制硬件或多個(gè)測試系統的需要。即單個(gè)FPGA平臺既可用于低速、高精度GPS或溫度記錄;又可通過(guò)快速編程實(shí)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(gè)測量應用中，比如，在配置FPGA實(shí)現10Hz溫度采集的同時(shí)進(jìn)行50kHz的振動(dòng)測試;并可實(shí)現任何I/O之間的同步，比如，實(shí)現CAN總線(xiàn)數據和數字或模擬I/O信號間納秒級的同步測量。沒(méi)有FPGA技術(shù)，則很難實(shí)現單個(gè)系統同時(shí)滿(mǎn)足這些不同的車(chē)載數據采集的需求。

　　應用FPGA技術(shù)，還可對任何傳感器信號進(jìn)行高級信號處理和分析。在很多信號處理系統中，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(jiǎn)單，便可用FPGA進(jìn)行編程實(shí)現。此外，可很方便地在FPGA上實(shí)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將使FPGA技術(shù)更適合于車(chē)載數據采集的應用。

　　2) ECU的硬件在環(huán)仿真

　　硬件在環(huán)仿真作為設計流程中重要的組成部分，是對虛擬運行環(huán)境中的設備進(jìn)行非常逼真的實(shí)際I/O的模擬。其最顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)是可以對實(shí)際情況進(jìn)行模擬，而不會(huì )產(chǎn)生實(shí)際危險。您可以在真實(shí)世界中不能實(shí)現的極端條件下對控制裝置進(jìn)行測試-在理論上汽車(chē)可以達到的最高行駛速度下進(jìn)行測試。功能強大的高逼真度硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真不僅通過(guò)縮短開(kāi)發(fā)周期加快了產(chǎn)品上市時(shí)間，還由于測試期間無(wú)需使用實(shí)際硬件而降低了設備成本以及相關(guān)的維護成本。ECU是用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機和傳動(dòng)系控制的電子裝置，它接收傳動(dòng)速度、曲軸和凸輪軸速度以及油門(mén)位置等信號，對此信息進(jìn)行處理后，以產(chǎn)生用于控制發(fā)動(dòng)機的信號和傳動(dòng)系參數。作為汽車(chē)最核心的部件之一，ECU設計中任何一個(gè)微小的差錯都會(huì )導致車(chē)毀人亡。這使得硬件在環(huán)仿真成為了在最終運用之前對ECU進(jìn)行測試的標準方法。

　　一個(gè)典型的硬件在環(huán)系統(見(jiàn)圖1)包括用于引擎模型仿真的控制器，該控制器運行在實(shí)時(shí)環(huán)境下并仿真引擎上的各種動(dòng)態(tài)特性;I/O模塊用來(lái)接收ECU的輸出信號并將經(jīng)過(guò)引擎仿真后的信號反饋給ECU，使用FPGA技術(shù)可以創(chuàng )建自定義的I/O來(lái)滿(mǎn)足仿真條件下對各種信號的需求，例如用于爆震、火花、發(fā)動(dòng)機位置傳感器，燃油噴射器以及歧管壓力的同步信號，和開(kāi)關(guān)、溫度、腳踏板、油門(mén)和汽車(chē)行駛速度等異步信號;此外還包括測試數據的記錄和測試步驟等。為了構成一個(gè)完整的系統，還需要一臺主機運行操作界面，并配合相應的測試管理軟件和后續數據分析軟件。

　　圖1 一個(gè)典型的硬件在環(huán)系統的構成

　　由于硬件在環(huán)測試往往要求系統在極高的速度下運行，多個(gè)輸入/輸出設備之間的精確定時(shí)和同步就顯得極為重要。例如，您可以通過(guò)FPGA的I/O向控制器輸出一個(gè)可變磁阻傳感器信號，并確?？刂破髟谶m當的時(shí)間和正確的電流下打開(kāi)和關(guān)閉燃油噴射器。與傳統的定制系統相比，基于FPGA技術(shù)的系統在實(shí)現精確且同步的波形生成和獲取方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它可以實(shí)現多個(gè)I/O在高速下進(jìn)行同步，并快速完成信號數據與輸入/輸出信息間的轉換。

　　除了實(shí)現對ECU的硬件在環(huán)仿真，FPGA還可應用于對ECU的快速原型設計中，從硬件層面驗證控制算法和模型的效果，同時(shí)FPGA的并行性允許將多個(gè)快速控制循環(huán)集成在同一個(gè)系統中。例如，Drivven公司應用FPGA的可重復配置性能，實(shí)現了對Yamaha YZF-R6發(fā)動(dòng)機控制系統的原型設計，而避免了在設計過(guò)程中購買(mǎi)多個(gè)定制硬件的需要，從而降低了成本。

　　圖形化FPGA編程

　　FPGA技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可自定義邏輯、高可靠性等，可廣泛應用于車(chē)載測試和ECU的設計流程中。但工程師在對FPGA進(jìn)行編程時(shí)，往往需要掌握硬件設計語(yǔ)言如VHDL之類(lèi)的知識。而圖形化開(kāi)發(fā)工具，比如National Instruments (NI)的高效圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW，則是專(zhuān)為需要建立靈活的可擴展性測試測量和控制應用系統的工程師和科學(xué)家設計的，以滿(mǎn)足他們以最小的成本、最快的速度開(kāi)發(fā)系統的需求。

　　LabVIEW直觀(guān)的圖形化開(kāi)發(fā)特性，可使工程師把更多的精力集中在功能開(kāi)發(fā)上，而不是代碼撰寫(xiě)上，進(jìn)而大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。LabVIEW又是一個(gè)開(kāi)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(lái)提升和加速系統開(kāi)發(fā)。比如，LabVIEW FPGA模塊，工程師就無(wú)須硬件描述語(yǔ)言和硬件設計相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識，便可在WINDOWS操作系統上，通過(guò)圖形化開(kāi)發(fā)自定義的FPGA邏輯代碼并下載到FPGA硬件目標，來(lái)實(shí)現創(chuàng )建自定義硬件。如圖2所示，使用LabVIEW FPGA實(shí)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(shí)，可通過(guò)下載新的代碼到FPGA，而無(wú)需新的定制硬件。同時(shí)，提供VHDL語(yǔ)言接口，為方便工程師直接使用現成的VHDL代碼。LabVIEW Real-Time模塊則用于針對實(shí)時(shí)硬件目標開(kāi)發(fā)時(shí)間確定性的應用程序。此外，LabVIEW附加的仿真接口工具包實(shí)現了LabVIEW和MathWorks Simulink(r) 軟件(運用該軟件您可以將您的算法模型從Simulink(r)導入LabVIEW中)之間的無(wú)縫連接?？傊?，圖形化開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW將極大地提高工程師的工作效率。

　　圖2 用NI LabVIEW實(shí)現FPGA圖形化編程

　　使用LabVIEW FPGA軟件和可重復配置硬件技術(shù)，可創(chuàng )建高性能的控制和采集系統。下面舉兩個(gè)例子，有關(guān)基于FPGA技術(shù)的硬件平臺在汽車(chē)電子中的應用。

　　用戶(hù)解決方案1：便攜式車(chē)載數據采集系統

　　車(chē)載數據采集的信號類(lèi)型包括溫度信號(熱電偶、RTD)、聲音和振動(dòng)信號(帶IEPE激勵的加速度傳感器或麥克風(fēng))、壓力和載荷信號(應變計或稱(chēng)重傳感器)、位置信號(LVDT或線(xiàn)性電位計)、速度信號(編碼器)、控制總線(xiàn)信號(CAN,J1350,ODBII)，以及視頻信號等。這些信號都是用于汽車(chē)性能的評價(jià)。

　　德國Goepel Electronic公司在面臨上述信號類(lèi)型、環(huán)境條件復雜、有大量數據存儲要求，用于車(chē)載測試分析和在線(xiàn)診斷的便攜式測試設備時(shí)，選擇了NI CompactRIO嵌入式控制系統，LabVIEW FPGA模塊和LabVIEW Real-Time模塊。在很短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)了CARLOS (in-car logging system)，加上CompactRIO平臺的低成本解決方案，從而大大節省了預算。

　　圖3 Goepel CARLOS車(chē)載數據采集系統

　　CompactRIO硬件平臺(見(jiàn)圖3)是一個(gè)基于FPGA技術(shù)的嵌入式系統。FPGA芯片是CompactRIO體系結構的核心，直接和相應的車(chē)載模塊相連。車(chē)載模塊可直接和車(chē)用傳感器、執行器和網(wǎng)絡(luò )相聯(lián)，并提供信號調理、隔離和汽車(chē)總線(xiàn)。該平臺包含一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)處理器，可用于獨立工作、確定性控制、車(chē)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℃到70℃工作溫度范圍等特點(diǎn)，提供雙電壓輸入(9-35V)，可直接從車(chē)上電池取電。這些都使CARLOS適用于復雜的車(chē)載測試環(huán)境和有限的測試空間。

　　該系統已成功用于實(shí)驗室、風(fēng)洞和試驗場(chǎng)上的汽車(chē)測試，可長(cháng)時(shí)間記錄數據。另外，可通過(guò)選擇相應的車(chē)載模塊和內置的應用程序，實(shí)現不同測試的需求。比如為了實(shí)現冬季或夏季試驗中發(fā)動(dòng)機熱管理系統的評價(jià)，只需選擇溫度等信號對應的車(chē)載模塊和已開(kāi)發(fā)好的LabVIEW應用程序即可;同時(shí)，該程序提供報警、用LabVIEW報告生成工具包實(shí)現數據寫(xiě)入EXCEL表格、或直接寫(xiě)進(jìn)數據庫、歷史數據查看等功能。此外，基于FPGA的CompcatRIO開(kāi)放試架構允許用戶(hù)擴展系統或進(jìn)一步開(kāi)發(fā)自定義的測試系統。

　　用戶(hù)解決方案2：用于BMW V12汽油發(fā)動(dòng)機的硬件在環(huán)仿真

　　MicroNova公司在基于NI LabVIEW FPGA模塊和NI PXI-7831R可重復配置I/O模塊上，開(kāi)發(fā)了一種全新的、靈活的可編程引擎硬件在環(huán)仿真系統(見(jiàn)圖4)，該系統能夠直接對BMW 12缸概念車(chē)的汽油噴射器進(jìn)行仿真，這是世界上第一種能夠對這種情況進(jìn)行仿真的系統。

　　圖4 MicroNova V12汽油發(fā)動(dòng)機的硬件在環(huán)仿真系統

　　該引擎硬件在環(huán)仿真系統可以與曲軸角度同步記錄所有的汽油噴射時(shí)間和點(diǎn)火角度，并將這些數據提供給控制器作為仿真輸入。同時(shí)通過(guò)模擬、數字以及脈寬調制器接口采集輸入信號并輸出相應的變量數據。而碰撞信號的仿真則是通過(guò)多達六個(gè)獨立傳感器，根據用戶(hù)定義的碰撞函數，產(chǎn)生基于轉速的輸出信號。

　　NI的PXI平臺為該系統提供了完整的硬件模塊的選擇，同時(shí)PXI高級的定時(shí)和觸發(fā)特性保證了汽車(chē)信號間同步采樣達到微秒級的觸發(fā)精度。而基于PXI平臺的可重復配置I/O模塊更是保證了高精度、靈活的采集引擎高速傳感信號。因為使用了LabVIEW開(kāi)發(fā)FPGA，可以很方便的改變相應的組合邏輯，并針對不同氣缸數目的各種引擎應用不同的軟件配置，大大節省了開(kāi)發(fā)成本、提升了性能。同時(shí)，使用了LabVIEW仿真接口工具包，可以很快速的將在MathWorks Simulink(r)下開(kāi)發(fā)的仿真模型整合到LabVIEW的平臺中，節省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間?？傊?，得益于PXI平臺和基于FPGA的可重復配置I/O組件的模塊化特性和靈活性，MicroNova公司在很短的時(shí)間內便開(kāi)發(fā)出了高性能的ECU硬件在環(huán)仿真系統，成功應用于BMW 12缸的最新概念車(chē)型的驗證。

　　本文小結

　　FPGA技術(shù)帶來(lái)了汽車(chē)電子測試技術(shù)的創(chuàng )新，憑借開(kāi)發(fā)基于FPGA硬件的單個(gè)系統可以解決不同的汽車(chē)設計和測試應用，而無(wú)需多個(gè)定制的測試設備?；贚abVIEW的圖形化FPGA編程則進(jìn)一步縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。NI CompactRIO和基于PXI的可重復配置I/O模塊都是基于FPGA的硬件平臺，用戶(hù)不僅可以開(kāi)發(fā)適用于涉及汽車(chē)總線(xiàn)、不同信號類(lèi)型的車(chē)載測試應用，還可用于汽車(chē)ECU設計流程中的快速原型驗證和硬件在環(huán)仿真測試。