FPGA技術(shù)在車(chē)載測試中的應用

引言

汽車(chē)在出廠(chǎng)之前，從研發(fā)設計到整車(chē)下線(xiàn)要經(jīng)過(guò)嚴格的檢測，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和各分系統工作的可靠性和安全性。隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，測試項目和要求也越來(lái)越多，因而測試系統的可擴展性越來(lái)越受關(guān)注。新一代汽車(chē)電子系統測試技術(shù)越來(lái)越著(zhù)重于在行駛中完成各種機電系統運行狀態(tài)的測試，以便縮短測試時(shí)間，完成可靠性檢測。汽車(chē)測試類(lèi)型多樣，涉及不同的信號類(lèi)型，比如：通過(guò)多測點(diǎn)的溫度測量來(lái)檢驗空調系統的功效；通過(guò)監控CAN網(wǎng)絡(luò )以保證各控制單元或設備間正常通信；通過(guò)加速度測量來(lái)驗證平順性。這些不同性質(zhì)的測試，往往需要不同的測試設備來(lái)完成；工程師需要去熟悉這些不同的測試設備。

為了保證順利完成試驗目的，測試系統必須具備高度的可靠性，比如，確保在汽車(chē)碰撞試驗中將傳感器測量數據和圖像數據記錄下來(lái)。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(guò)千伏，需要有良好的對地隔離性能?？紤]測試空間、預算等因素，廠(chǎng)商也希望能夠用一個(gè)集成的高度可靠的測試系統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(shí)又能滿(mǎn)足測試環(huán)境和技術(shù)指標的要求。

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，工程師可將FPGA技術(shù)融入測試系統，解決上述車(chē)載測試困難，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)在車(chē)載測試中的應用。

FPGA技術(shù)一個(gè)平臺 多種應用

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(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(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。下文以車(chē)載測試為例進(jìn)行討論。

不同車(chē)載測試的技術(shù)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(shù)實(shí)現單個(gè)系統解決所有這些車(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)載測試需求。

應用FPGA技術(shù)，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，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使FPGA技術(shù)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(kāi)發(fā)定制板卡，用于發(fā)動(dòng)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(shí)現硬件層面極快的閉環(huán)控制循環(huán)速率。通過(guò)FPGA編程對CAN、模擬或數字的信號輸入作出快速響應，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；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(shí)現了世界上第一個(gè)V12汽油發(fā)動(dòng)機的硬件在環(huán)仿真。

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)載測試和開(kāi)發(fā)定制板卡。但工程師在FPGA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、最快速的開(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1所示在FPGA上實(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；嵌入式開(kāi)發(fā)系統模塊適用于任何32位處理器的圖形化開(kāi)發(fā)；DSP模塊則適用于圖形化DSP算法開(kāi)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?？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1  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)的硬件平臺在車(chē)載測試中的應用。

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2  Goepel CARLOS 車(chē)載數據采集系統

CompactRIO硬件平臺（參看圖2）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 ºC到70 ºC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：自定義遠程模塊開(kāi)發(fā)

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已廣泛應用于汽車(chē)在行進(jìn)中實(shí)現監控狀態(tài)、精確定位或遠程通信，包括GPS導航和精確定位、胎壓監測等；其中，GPS在日本和歐美汽車(chē)上安裝的普及率逐年上升，在國內也越來(lái)越受關(guān)注。

德國S.E.A. Datentechnik GmbH公司針對車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信測試的需求，為了盡快將產(chǎn)品投入市場(chǎng)，選擇了基于FPGA技術(shù)的CompactRIO開(kāi)放式硬件平臺和LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境。根據車(chē)載遠程控制、數據采集、位置跟蹤等應用需求開(kāi)發(fā)了cRIO GPRS（General Packet Radio Service）、 cRIO GPS（Global Positioning System）、cRIO RCC（Radio Controlled Clock）和一個(gè)混合模塊cRIO Gxxx，如圖3所示。最終，整個(gè)項目的開(kāi)發(fā)時(shí)間比原計劃提前了40%。

   

 
圖3  S.E.A. Datentechnik遠程模塊

GPS模塊通過(guò)接收L1波段的GPS信號實(shí)現精確的定位。接收機可以在啟動(dòng)之后將數據轉換成NMEA 0183格式，以便進(jìn)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(chē)導航、精確定位。GPRS模塊通過(guò)GSM/GPRS公網(wǎng)進(jìn)行測量數據和事件消息傳輸，同時(shí)使用SIM卡讀卡器接入GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò )，以短信方式手法數據，可應用汽車(chē)防盜系統。RCC模塊用于分布式系統的時(shí)間同步；混合模塊則集合了以上功能。在車(chē)載應用時(shí)，CompactRIO嵌入式系統的高度可靠性得以充分體現。

這些模塊除用于車(chē)載測試外，還可廣泛應用于A(yíng)TM終端、工業(yè)和醫療遠程系統、遠程診斷等。

總結

FPGA技術(shù)帶來(lái)了車(chē)載測試技術(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車(chē)載測試應用，而無(wú)需多個(gè)定制的測試設備。圖形化FPGA編程則進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。NI CompactRIO是基于FPGA的硬件平臺之一，用戶(hù)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，甚至可以自己定制開(kāi)發(fā)模塊實(shí)現特定的車(chē)載測試功能。