FPGA技術在車載測試中的應用

引言

汽車在出廠之前，從研發(fā)設計到整車下線要經(jīng)過嚴格的檢測，以確保產(chǎn)品的質量和各分系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。隨著汽車電子技術的發(fā)展，測試項目和要求也越來越多，因而測試系統(tǒng)的可擴展性越來越受關注。新一代汽車電子系統(tǒng)測試技術越來越著重于在行駛中完成各種機電系統(tǒng)運行狀態(tài)的測試，以便縮短測試時間，完成可靠性檢測。汽車測試類型多樣，涉及不同的信號類型，比如：通過多測點的溫度測量來檢驗空調系統(tǒng)的功效；通過監(jiān)控CAN網(wǎng)絡以保證各控制單元或設備間正常通信；通過加速度測量來驗證平順性。這些不同性質的測試，往往需要不同的測試設備來完成；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(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(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)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?？紤]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(jù)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實現(xiàn)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(shù)字信號處理和分析等。這些優(yōu)勢為快速增長的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(shù)據(jù)記錄的15Hz到碰撞試驗的200kHz不等。而FPGA直接連接到數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)10Hz溫度采集的同時進行50kHz的振動測試；并可實現(xiàn)任何I/O之間的同步，比如，實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)和數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)，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(xiàn)。此外，可很方便地在FPGA上實現(xiàn)對所采集的信號作數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)創(chuàng)建自定義硬件。如圖1所示在FPGA上實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)和數(shù)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(xiàn)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(shù)字濾波器設計工具包；信號處理工具包適用于測試數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

車載數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡相聯(lián)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。另外，可通過選擇相應的車載模塊和內置的應用程序，實現(xiàn)不同測試的需求。比如為了實現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)寫入EXCEL表格、或直接寫進數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)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(xiàn)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(chǎn)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(jù)車載遠程控制、數(shù)據(jù)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(xiàn)精確的定位。接收機可以在啟動之后將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。該模塊可用于汽車導航、精確定位。GPRS模塊通過GSM/GPRS公網(wǎng)進行測量數(shù)據(jù)和事件消息傳輸，同時使用SIM卡讀卡器接入GSM/GPRS網(wǎng)絡，以短信方式手法數(shù)據(jù)，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(xiàn)。

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(xiàn)特定的車載測試功能。