FPGA在自定義測(cè)試中的四種應(yīng)用

電子產(chǎn)品不斷提高的復(fù)雜性無(wú)疑為測(cè)試工程師帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。許多被測(cè)設(shè)備(DUT)需要更加復(fù)雜的測(cè)試方法，而傳統(tǒng)測(cè)試儀器往往無(wú)法滿足這些復(fù)雜的測(cè)試需求。在這種情況下，可以基于模塊化儀器架構(gòu)，通過(guò)軟件自定義的方式開(kāi)發(fā)滿足復(fù)雜功能需求的測(cè)試系統(tǒng)；模塊化儀器平臺(tái)PXI的快速發(fā)展就體現(xiàn)了這種需求。然而對(duì)于某些特殊應(yīng)用，基于軟件自定義的儀器有時(shí)也無(wú)法解決所有挑戰(zhàn)，因而需要將自定義的范圍從軟件進(jìn)一步擴(kuò)展到模塊化硬件以滿足高吞吐量、高確定性或更多的自定義需求。 而對(duì)于絕大多數(shù)測(cè)試與驗(yàn)證工程師來(lái)說(shuō)，硬件自定義并非易事。幸運(yùn)的是，測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的計(jì)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(jì)算器件—現(xiàn)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(shù)字電路，用戶可以通過(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(cè)試時(shí)間，而且可以實(shí)現(xiàn)一些過(guò)去只能通過(guò)自定義硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能。下文就將介紹FPGA在測(cè)試系統(tǒng)中的四種典型應(yīng)用。
執(zhí)行實(shí)時(shí)連續(xù)的測(cè)量 FPGA可以通過(guò)專享的硬件資源進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)較高的吞吐率，可以比通過(guò)I/O硬件先獲取數(shù)據(jù)再通過(guò)軟件執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的速率更快。結(jié)合FPGA技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，不是按照傳統(tǒng)意義上的“采集、數(shù)據(jù)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(zhí)行數(shù)據(jù)處理，這種系統(tǒng)可以連續(xù)地測(cè)試被測(cè)設(shè)備，從而縮短測(cè)試時(shí)間。 通過(guò)FPGA上的專用硬件資源可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，如快速傅里葉變換(FFT)等?；贔PGA硬件本身所具有并行執(zhí)行特性，可以對(duì)多個(gè)輸入通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，或者對(duì)單通道同時(shí)進(jìn)行多種計(jì)算參數(shù)的測(cè)量。圖1：使用FPGA硬件生成測(cè)試向量，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)分析
自定義觸發(fā)和采集 使用FPGA可以進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理或數(shù)據(jù)計(jì)算，從而可以添加自定義觸發(fā)和數(shù)據(jù)記錄功能，從而有選擇地傳遞所需的數(shù)據(jù)。相對(duì)于只能執(zhí)行一組固定操作的傳統(tǒng)儀器，帶有FPGA儀器的可重置特性可以滿足特定的硬件應(yīng)用需求。 例如，頻域觸發(fā)應(yīng)用就體現(xiàn)了FPGA可重置特性的優(yōu)勢(shì)。有些傳統(tǒng)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(hào)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(hào)。通過(guò)將FPGA技術(shù)添加到矢量信號(hào)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(jù)需要執(zhí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，而無(wú)需使用軟件將信號(hào)信息編碼成協(xié)議信號(hào)(或?qū)f(xié)議信號(hào)解碼成信號(hào)信息)。這樣就可以幫助簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)軟件，因?yàn)橄到y(tǒng)軟件只需要處理信號(hào)信息，使得協(xié)議級(jí)通信變得可行。而在過(guò)去，在只有預(yù)定義測(cè)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(cè)試的(例如，當(dāng)基于協(xié)議數(shù)據(jù)需要快速?zèng)Q策時(shí))。FPGA對(duì)于那些從接收到發(fā)送數(shù)據(jù)間需要快速響應(yīng)的應(yīng)用也是有必要的，在這種情形下，測(cè)試硬件必須能夠快速檢測(cè)和響應(yīng)。 因?yàn)镕PGA是可通過(guò)軟件進(jìn)行重配置的硬件資源，因此對(duì)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(fù)使用。此外，還可以利用FPGA的硬件級(jí)執(zhí)行性能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)議狀態(tài)機(jī)，此外基于FPGA的并行執(zhí)行特性，可以實(shí)現(xiàn)同一協(xié)議接口的多個(gè)實(shí)例，從而進(jìn)行多個(gè)被測(cè)設(shè)備的并行測(cè)試。閉環(huán)控制和動(dòng)態(tài)測(cè)試 如今有許多被測(cè)設(shè)備需要與測(cè)試環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)交互，在這種情況下，如果測(cè)試系統(tǒng)不能對(duì)被測(cè)設(shè)備提供實(shí)時(shí)反饋信息，就可能無(wú)法提供足夠的測(cè)試覆蓋范圍。例如，現(xiàn)代通信方案通常包含確認(rèn)數(shù)據(jù)包或比特?cái)?shù)據(jù)。如果測(cè)試系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地解析這些確認(rèn)數(shù)據(jù)包或比特，并及時(shí)作出響應(yīng)，那么可能無(wú)法正確地測(cè)試被測(cè)設(shè)備。在大多數(shù)情況下，只有硬件(FPGA)可以提供這種低延遲響應(yīng)。 另一個(gè)實(shí)例是硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試系統(tǒng)。在HIL系統(tǒng)中，待測(cè)設(shè)備通常是控制器，而測(cè)試系統(tǒng)必須模擬被控對(duì)象的行為。這樣可以提高對(duì)控制器進(jìn)行測(cè)試的性能和可靠性；在某些情況下，還可以在被控對(duì)象生產(chǎn)出來(lái)之前先通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)模擬被控對(duì)象，從而對(duì)控制器的功能進(jìn)行驗(yàn)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(zhǔn)確地模擬被控對(duì)象的行為。圖2：FPGA硬件可以對(duì)協(xié)議級(jí)通信進(jìn)行編碼和解碼，從而簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)軟件