FPGA技術(shù)在車載測(cè)試中的應(yīng)用

汽車在出廠之前，從研發(fā)設(shè)計(jì)到整車下線要經(jīng)過嚴(yán)格的檢測(cè)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量以及各分系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試要求越來(lái)越多，測(cè)試系統(tǒng)的可擴(kuò)展性受到更多的關(guān)注。新一代汽車電子系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)著重于在行駛中完成各種機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試，以便縮短測(cè)試時(shí)間，完成可靠性檢測(cè)。汽車測(cè)試類型多樣，涉及到不同的信號(hào)類型。例如，通過多測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量來(lái)檢驗(yàn)空調(diào)系統(tǒng)的功效；通過監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)以保證各控制單元或設(shè)備間正常通信；通過加速度測(cè)量來(lái)驗(yàn)證平順性。這些不同性質(zhì)的測(cè)試，往往需要相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備來(lái)完成，這就要求工程師分別去熟悉這些不同的測(cè)試設(shè)備。

為了保證順利完成試驗(yàn)?zāi)康?，測(cè)試系統(tǒng)必須具備高度的可靠性。例如，在汽車碰撞試驗(yàn)中需要記錄傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。由于測(cè)試環(huán)境比較復(fù)雜，燃料電池測(cè)試中的電池堆共模電壓可能超過千伏，需要有良好的對(duì)地隔離性能。考慮到測(cè)試空間、預(yù)算等因素，廠商也希望能夠用一個(gè)集成的并且高度可靠的測(cè)試系統(tǒng)替代這些不同的分立測(cè)試設(shè)備，以期根據(jù)具體應(yīng)用定義功能，同時(shí)又能滿足測(cè)試環(huán)境和技術(shù)指標(biāo)的要求。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)技術(shù)具有自定義邏輯功能和高可靠性的特點(diǎn)，工程師可將FPGA技術(shù)融入測(cè)試系統(tǒng)，解決上述車載測(cè)試難點(diǎn)，同時(shí)滿足低成本、系統(tǒng)可擴(kuò)展性和復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境要求。本文將探討FPGA相關(guān)技術(shù)在車載測(cè)試中的應(yīng)用。

FPGA技術(shù)——“一個(gè)平臺(tái) 多種應(yīng)用”

FPGA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(nèi)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(nèi)部包括可配置邏輯模塊（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）3個(gè)部分。工程師可通過軟件編程重新配置FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊，以實(shí)現(xiàn)自定義的邏輯。

FPGA技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，包括自定義I/O硬件定時(shí)和同步、高度可靠性、數(shù)字信號(hào)處理和分析等。這些優(yōu)勢(shì)為快速增長(zhǎng)的汽車電子測(cè)試技術(shù)提供了靈活的低成本解決方案。

不同車載測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)也存在差異，包括采樣率、信號(hào)調(diào)理、處理和分析。例如，采樣率范圍從GPS數(shù)據(jù)記錄的15 Hz到碰撞試驗(yàn)的200 kHz不等。應(yīng)用FPGA直接連接到數(shù)字和模擬I/O，可對(duì)各通道定義不同的采樣率和觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)系統(tǒng)解決所有車載測(cè)試的應(yīng)用，避免定制硬件或多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的需要。即單個(gè)FPGA平臺(tái)既可用于低速、高精度GPS或溫度記錄；又可通過快速編程實(shí)現(xiàn)用于有高采樣率要求的碰撞試驗(yàn)；也可將不同采樣率以并行方式共存于同一個(gè)測(cè)量應(yīng)用中(例如在配置FPGA實(shí)現(xiàn)10 Hz溫度采集的同時(shí)進(jìn)行50 kHz的振動(dòng)測(cè)試)；還可實(shí)現(xiàn)任何I/O之間的同步(例如實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)和數(shù)字或模擬I/O信號(hào)間納秒級(jí)的同步測(cè)量)。如果沒有FPGA技術(shù)，單個(gè)系統(tǒng)很難同時(shí)滿足這些不同的車載測(cè)試需求。

應(yīng)用FPGA技術(shù)，可對(duì)任何傳感器信號(hào)進(jìn)行高級(jí)信號(hào)處理和分析。在很多信號(hào)處理系統(tǒng)中，底層的信號(hào)預(yù)處理算法要處理大量的數(shù)據(jù)，因此要求處理速度很高，同時(shí)算法相對(duì)簡(jiǎn)單。采用FPGA進(jìn)行編程可實(shí)現(xiàn)該算法，同時(shí)，還可很方便地對(duì)所采集的信號(hào)作數(shù)字濾波運(yùn)算、快速傅立葉變換(FFT)、加窗等多種信號(hào)處理和分析。傳感器級(jí)信號(hào)處理和分析功能使FPGA技術(shù)成功應(yīng)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(dòng)機(jī)控制單元(ECU)的快速原型設(shè)計(jì)和硬件在環(huán)仿真(HIL)。FPGA可實(shí)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(duì)CAN、模擬或數(shù)字的信號(hào)輸入作出快速響應(yīng)，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(tǒng)中。例如，Drivven公司應(yīng)用FPGA的可重復(fù)配置性能，實(shí)現(xiàn)了Yamaha YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)，避免了在設(shè)計(jì)過程中購(gòu)買多個(gè)定制硬件，從而降低了成本；MicroNova同樣使用具有高可靠性、可定制邏輯功能的FPGA硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)V12汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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)，可廣泛應(yīng)用于車載測(cè)試和開發(fā)定制板卡。工程師在利用FPGA編程時(shí)，往往需要掌握硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言如VHDL之類的知識(shí)。而圖形化開發(fā)工具，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(kuò)展性測(cè)試測(cè)量和控制應(yīng)用系統(tǒng)的工程師和科學(xué)家設(shè)計(jì)的，以滿足他們以最小的成本實(shí)現(xiàn)最快速開發(fā)系統(tǒng)的需求。

LabVIEW直觀的圖形化開發(fā)特性，使得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，大幅縮短了開發(fā)時(shí)間和成本。LabVIEW是一個(gè)開放性的軟件平臺(tái)，對(duì)于一些特定的應(yīng)用，可提供多種工具包和模塊來(lái)提升和加速系統(tǒng)開發(fā)。例如，通過LabVIEW FPGA模塊，工程師就無(wú)需硬件描述語(yǔ)言和硬件設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，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(biāo)，創(chuàng)建自定義硬件。如圖1所示，在FPGA上實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)和數(shù)字或模擬信號(hào)間納秒級(jí)的同步測(cè)量。當(dāng)測(cè)試要求改變時(shí)，只需下載新的代碼到FPGA，而無(wú)需定制新的硬件。同時(shí)，為方便工程師直接使用現(xiàn)成的VHDL代碼，提供了VHDL語(yǔ)言接口。LabVIEW Real-Time模塊用于針對(duì)實(shí)時(shí)硬件目標(biāo)開發(fā)時(shí)間確定性的應(yīng)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(shè)計(jì)工具包；信號(hào)處理工具包適用于測(cè)試數(shù)據(jù)的高精度頻譜分析和顯示?？傊瑘D形化開發(fā)軟件LabVIEW極大地提高了工程師的工作效率。

使用LabVIEW FPGA軟件和可重復(fù)配置硬件技術(shù)，可創(chuàng)建高性能的控制和采集系統(tǒng)。下面以2個(gè)解決方案為例，說(shuō)明基于FPGA技術(shù)的硬件平臺(tái)在車載測(cè)試中的應(yīng)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(hào)類型包括溫度信號(hào)（熱電偶或RTD）、聲音和振動(dòng)信號(hào)（帶IEPE激勵(lì)的加速度傳感器或麥克風(fēng)）、壓力和載荷信號(hào)（應(yīng)變計(jì)或稱重傳感器）、位置信號(hào)（LVDT或線性電位計(jì)）、速度信號(hào)（編碼器）、控制總線信號(hào)（CAN，J1350，ODBII）以及視頻信號(hào)等。這些信號(hào)都用于評(píng)價(jià)汽車性能。

德國(guó)Goepel Electronic公司在面臨上述信號(hào)類型、環(huán)境條件復(fù)雜、有大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求、用于車載測(cè)試分析和在線診斷的便攜式測(cè)試設(shè)備需求時(shí)，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(shí)間內(nèi)開發(fā)了CARLOS(in-car logging system)。采用CompactRIO平臺(tái)的低成本解決方案，大大節(jié)省了預(yù)算。

圖2所示CompactRIO硬件平臺(tái)是一個(gè)基于FPGA技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)。FPGA芯片是CompactRIO體系結(jié)構(gòu)的核心，直接與相應(yīng)的車載模塊相連。車載模塊可直接與車用傳感器、執(zhí)行器與網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，并提供信號(hào)調(diào)理、隔離和汽車總線。該平臺(tái)包含一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)處理器，可用于獨(dú)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(jiān)固的機(jī)械封裝，可承受50倍g沖擊，工作于-40 ℃～+70 ℃溫度范圍，提供雙電壓輸入（9～35 V），可直接從車上電池取電。這些都使CARLOS適用于復(fù)雜的車載測(cè)試環(huán)境和有限的測(cè)試空間。

該系統(tǒng)已成功用于實(shí)驗(yàn)室、風(fēng)洞和試驗(yàn)場(chǎng)上的汽車測(cè)試，可長(zhǎng)時(shí)間記錄數(shù)據(jù)。另外，通過選擇相應(yīng)的車載模塊和內(nèi)置的應(yīng)用程序，可實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試需求。例如為了實(shí)現(xiàn)冬季或夏季試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)測(cè)試，只需選擇溫度等信號(hào)對(duì)應(yīng)的車載模塊和已開發(fā)好的LabVIEW應(yīng)用程序即可。同時(shí)，該程序提供報(bào)警、用LabVIEW報(bào)告生成工具包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入EXCEL表格、或直接寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)查看等功能。此外，基于FPGA的CompcatRIO開放式架構(gòu)允許用戶擴(kuò)展系統(tǒng)或進(jìn)一步開發(fā)自定義的測(cè)試系統(tǒng)。

用戶解決方案2：自定義遠(yuǎn)程模塊開發(fā)

無(wú)線通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)汽車行進(jìn)中的狀態(tài)監(jiān)控、精確定位和遠(yuǎn)程通信，包括GPS導(dǎo)航和精確定位、胎壓監(jiān)測(cè)等。其中，GPS在日本和歐美汽車上的安裝普及率逐年上升，在國(guó)內(nèi)也越來(lái)越受關(guān)注。

德國(guó)S.E.A.Datentechnik GmbH公司針對(duì)車載無(wú)線通信測(cè)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開放式硬件平臺(tái)和LabVIEW開發(fā)環(huán)境。根據(jù)車載遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、位置跟蹤等應(yīng)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(gè)混合模塊cRIO Gxxx，如圖3所示。最終，整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間比原計(jì)劃縮短了40%。

GPS模塊通過接收L1波段的GPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確定位。接收機(jī)可以在啟動(dòng)之后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jī)的記憶功能，存儲(chǔ)歷史信息，如位置數(shù)據(jù)。該模塊可用于汽車導(dǎo)航、精確定位。GPRS模塊通過GSM/GPRS公網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)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)，以短信方式收發(fā)數(shù)據(jù)，可應(yīng)用汽車防盜系統(tǒng)。RCC模塊用于分布式系統(tǒng)的時(shí)間同步；混合模塊則集合了以上功能。在車載應(yīng)用時(shí)，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(cè)試外，還可廣泛應(yīng)用于ATM終端、工業(yè)和遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷等。

FPGA技術(shù)帶來(lái)了車載測(cè)試技術(shù)的創(chuàng)新，憑借開發(fā)基于FPGA硬件的單個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同的車載測(cè)試應(yīng)用，而無(wú)需定制多個(gè)測(cè)試設(shè)備。圖形化FPGA編程則進(jìn)一步縮短了開發(fā)時(shí)間。NI CompactRIO是基于FPGA的硬件平臺(tái)之一，用戶可以開發(fā)適用于汽車總線、不同信號(hào)類型的車載測(cè)試應(yīng)用，甚至可以自己定制開發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)特定的車載測(cè)試功能。