FPGA在自定義測試中的四種應用
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而對于絕大多數測試與驗證工程師來(lái)說(shuō)，硬件自定義并非易事。幸運的是，測試工程師也可以從摩爾定律中獲益。摩爾定律使CPU頻率得到不斷提高，從而使自定義測試系統的計算吞吐量也可不斷提升；另一方面，摩爾定律也正在推動(dòng)另一種計算器件—現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的發(fā)展。FPGA本質(zhì)上是一種特殊的數字電路，用戶(hù)可以通過(guò)軟件編程的方式重新配置其硬件邏輯。FPGA不僅可以幫助工程師縮短測試時(shí)間，而且可以實(shí)現一些過(guò)去只能通過(guò)自定義硬件來(lái)實(shí)現的測試功能。下文就將介紹FPGA在測試系統中的四種典型應用。
執行實(shí)時(shí)連續的測量
FPGA可以通過(guò)專(zhuān)享的硬件資源進(jìn)行處理數據，從而實(shí)現較高的吞吐率，可以比通過(guò)I/O硬件先獲取數據再通過(guò)軟件執行數據處理的速率更快。結合FPGA技術(shù)的測試系統，不是按照傳統意義上的“采集、數據傳輸、后處理”模式，而是可以直接在I/O采集之后就直接在FPGA硬件上執行數據處理，這種系統可以連續地測試被測設備，從而縮短測試時(shí)間。
通過(guò)FPGA上的專(zhuān)用硬件資源可以實(shí)現實(shí)時(shí)測量，如快速傅里葉變換(FFT)等?；贔PGA硬件本身所具有并行執行特性，可以對多個(gè)輸入通道同時(shí)進(jìn)行測量，或者對單通道同時(shí)進(jìn)行多種計算參數的測量。
圖1：使用FPGA硬件生成測試向量，并對采集數據進(jìn)行實(shí)時(shí)連續分析
自定義觸發(fā)和采集
使用FPGA可以進(jìn)行連續的實(shí)時(shí)信號處理或數據計算，從而可以添加自定義觸發(fā)和數據記錄功能，從而有選擇地傳遞所需的數據。相對于只能執行一組固定操作的傳統儀器，帶有FPGA儀器的可重置特性可以滿(mǎn)足特定的硬件應用需求。
例如，頻域觸發(fā)應用就體現了FPGA可重置特性的優(yōu)勢。有些傳統頻譜分析儀可以使用頻率觸發(fā)功能，但不能實(shí)時(shí)進(jìn)行。另一方面，矢量信號分析儀(VSA)可進(jìn)行實(shí)時(shí)功率觸發(fā)，但不能實(shí)時(shí)地選擇感興趣的頻率信號。通過(guò)將FPGA技術(shù)添加到矢量信號分析儀中，您可以創(chuàng )建一個(gè)實(shí)時(shí)的、頻率相關(guān)的觸發(fā)功能，或者可以根據需要執行其他自定義的觸發(fā)操作。
自定義協(xié)議接口
FPGA可以直接在硬件上對數據進(jìn)行編解碼，而無(wú)需使用軟件將信號信息編碼成協(xié)議信號(或將協(xié)議信號解碼成信號信息)。這樣就可以幫助簡(jiǎn)化測試系統軟件，因為系統軟件只需要處理信號信息，使得協(xié)議級通信變得可行。而在過(guò)去，在只有預定義測試向量的情況下，是不適合通過(guò)軟件進(jìn)行帶有協(xié)議通訊的測試的(例如，當基于協(xié)議數據需要快速決策時(shí))。FPGA對于那些從接收到發(fā)送數據間需要快速響應的應用也是有必要的，在這種情形下，測試硬件必須能夠快速檢測和響應。
因為FPGA是可通過(guò)軟件進(jìn)行重配置的硬件資源，因此對于同一硬件，可以通過(guò)不同配置支持多種協(xié)議，從而促進(jìn)硬件的重復使用。此外，還可以利用FPGA的硬件級執行性能實(shí)現復雜的協(xié)議狀態(tài)機，此外基于FPGA的并行執行特性，可以實(shí)現同一協(xié)議接口的多個(gè)實(shí)例，從而進(jìn)行多個(gè)被測設備的并行測試。
閉環(huán)控制和動(dòng)態(tài)測試
如今有許多被測設備需要與測試環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號交互，在這種情況下，如果測試系統不能對被測設備提供實(shí)時(shí)反饋信息，就可能無(wú)法提供足夠的測試覆蓋范圍。例如，現代通信方案通常包含確認數據包或比特數據。如果測試系統不能準確地解析這些確認數據包或比特，并及時(shí)作出響應，那么可能無(wú)法正確地測試被測設備。在大多數情況下，只有硬件(FPGA)可以提供這種低延遲響應。
另一個(gè)實(shí)例是硬件在環(huán)(HIL)測試系統。在HIL系統中，待測設備通常是控制器，而測試系統必須模擬被控對象的行為。這樣可以提高對控制器進(jìn)行測試的性能和可靠性；在某些情況下，還可以在被控對象生產(chǎn)出來(lái)之前先通過(guò)測試系統模擬被控對象，從而對控制器的功能進(jìn)行驗證。FPGA的高性能和低延遲可以基于確定性的閉環(huán)循環(huán)周期來(lái)準確地模擬被控對象的行為。
圖2：FPGA硬件可以對協(xié)議級通信進(jìn)行編碼和解碼，從而簡(jiǎn)化測試系統軟件
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