開(kāi)放式FPGA可增加測試的靈活性

目前大多數儀器采用封閉式FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)和固定的固件實(shí)現儀器的功能。如果你曾見(jiàn)過(guò)示波器的拆解，你也許見(jiàn)過(guò)里面的FPGA。FPGA可以增加測試儀器的處理能力，如果你曾使用過(guò)儀器的開(kāi)放式FPGA，你就會(huì )知道可以將自定義的測試功能編程進(jìn)儀器中。
儀器供應商早就了解FPGA的好處，并且一直在充分發(fā)揮FPGA獨特的處理能力優(yōu)勢來(lái)豐富的功能，比如：儀器
● 能夠在示波器上完成預觸發(fā)捕獲
● 能夠利用信號處理功能在矢量信號分析儀上產(chǎn)生I和Q數據
● 能夠在高速數字儀器上實(shí)時(shí)進(jìn)行圖案發(fā)生和矢量比較
測試設備制造商現在開(kāi)始向用戶(hù)開(kāi)放FPGA以提供更多特殊應用的優(yōu)化。為了幫助理解為何這是一個(gè)好的轉變，下面列出了在測試應用中使用FPGA的一些關(guān)鍵特性：
● 確定性，實(shí)時(shí)處理
● 真正并行的執行
● 可重配置
● 低延時(shí)
更進(jìn)一步講，利用開(kāi)放式FPGA可以實(shí)現哪些以前不能實(shí)現的功能呢？為了描述這些可能性，下面將介紹一些利用開(kāi)放式FPGA的常見(jiàn)測試應用。
測試系統加速
在大批量生產(chǎn)線(xiàn)的最終產(chǎn)品測試中，每一秒的測試時(shí)間都很寶貴。當產(chǎn)品測試速度與生產(chǎn)速度相匹配時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)的效率就是最高的。當兩者速度不匹配時(shí)，就必須采用創(chuàng )新的技術(shù)來(lái)縮短測試時(shí)間。傳統方法需要使用多臺分開(kāi)的臺式儀器，它們通過(guò)以太網(wǎng)、USB或GPIB連接到一臺PC主機。這種測試的速度相對較慢，因為待測設備的控制、測量以及通過(guò)數據總線(xiàn)的處理是分開(kāi)進(jìn)行的。另外一種方法是使用開(kāi)放式FPGA來(lái)加速這個(gè)過(guò)程，如圖1所示。



圖1：在測試儀器中，開(kāi)放式FPGA可以增加諸如觸發(fā)和后處理等功能。

與使用外部通信總線(xiàn)不同，FPGA可以使用高速總線(xiàn)(如PXIe)連接儀器，并通過(guò)其配置端口(如I2C、SPI或另外的控制總線(xiàn))連接待測設備(DUT)。這種應用中的FPGA可以控制待測設備，觸發(fā)其它儀器開(kāi)始捕獲樣本，甚至將這些樣本處理成對主機來(lái)說(shuō)有意義的結果。
低時(shí)延是加速這類(lèi)應用的一個(gè)關(guān)鍵因素。FPGA沒(méi)有操作系統，但所有的邏輯都是用硬件實(shí)現，并且這些硬件工作的時(shí)鐘速率很高。這意味著(zhù)響應只需花一個(gè)時(shí)鐘周期捕獲、一個(gè)時(shí)鐘周期處理和一個(gè)時(shí)鐘周期輸出結果。當時(shí)鐘速率為200MHz(時(shí)鐘周期為4ns)時(shí)，完整的響應時(shí)間只需12ns。由于FPGA的確定性特點(diǎn)，12ns的響應時(shí)間不是只有一次，而是每次都是。因此FPGA不僅可以避免與使用主機有關(guān)的延時(shí)，而且能夠最大限度地減小主機處理時(shí)的非確定性延時(shí)。
協(xié)議的處理
今天，并不是所有數字和MEMS設備都能用已知結果矢量進(jìn)行測試。就拿脈沖密度麥克風(fēng)(PDM)來(lái)說(shuō)，如果給它一個(gè)激勵信號，你不能期望每次測試得到的比特流是完全相同的，這是因為PDM是模擬設備。為了從這些類(lèi)型的待測設備獲得有意義的結果，在比較結果之前你首先需要用其特定的協(xié)議對數字流進(jìn)行解碼。借助開(kāi)放式FPGA，你可以在FPGA上配置你的測試系統來(lái)實(shí)現PDM協(xié)議，不必再傳至CPU進(jìn)行解釋。進(jìn)一步拓展這個(gè)概念，今天你可以配置這個(gè)FPGA實(shí)現PDM協(xié)議，明天你又可以重新配置同樣這個(gè)FPGA實(shí)現不同的協(xié)議，比如用于測試數字溫度傳感器、加速度計或MEMS設備的協(xié)議。
在圖2中，協(xié)議不是在CPU上實(shí)現，而是在FPGA上實(shí)現。正因為此，測試系統現在自身就可以支持快速握手腳本，適應精確等待周期等協(xié)議行為，并根據通信內容做出決策。這種方法不僅能讓你從待測設備接收更高層數據，比如在PDM麥克風(fēng)場(chǎng)合中解碼的模擬數據，而且允許你用更高層命令編寫(xiě)測試腳本。


圖2：FPGA可以用來(lái)處理協(xié)議，知曉總線(xiàn)使用的協(xié)議內容。