FPGA技術(shù)在車(chē)載測(cè)試中的應(yīng)用以確保車(chē)輛的質(zhì)量、可靠性和安全性

汽車(chē)在出廠之前，從研發(fā)設(shè)計(jì)到整車(chē)下線要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和各分系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。隨著汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試項(xiàng)目和要求也越來(lái)越多，因而測(cè)試系統(tǒng)的可擴(kuò)展性越來(lái)越受關(guān)注。新一代汽車(chē)電子系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)越來(lái)越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(chē)測(cè)試類(lèi)型多樣，涉及不同的信號(hào)類(lèi)型，比如：通過(guò)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(guò)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(guò)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，往往需要不同的測(cè)試設(shè)備來(lái)完成；工程師需要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，比如，確保在汽車(chē)碰撞試驗(yàn)中將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。另外，測(cè)試環(huán)境比較復(fù)雜，比如燃料電池測(cè)試中的電池堆共模電壓可能超過(guò)千伏，需要有良好的對(duì)地隔離性能?？紤]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，可根據(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。

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù)具有自定義邏輯功能和高可靠性的特點(diǎn)，所以，工程師可將FPGA技術(shù)融入測(cè)試系統(tǒng)，解決上述車(chē)載測(cè)試?yán)щy，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(chē)載測(cè)試中的應(yīng)用。

FPGA(Field Programmable Gate Array)，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)三個(gè)部分。工程師可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實(shí)現(xiàn)自定義的邏輯。

FPGA技術(shù)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(chē)電子測(cè)試技術(shù)提供了靈活的低成本解決方案。下文以車(chē)載測(cè)試為例進(jìn)行討論。

不同車(chē)載測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)也不同，包括采樣率、信號(hào)調(diào)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(yàn)的200kHz不等。而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)。所以，可應(yīng)用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)單個(gè)系統(tǒng)解決所有這些車(chē)載測(cè)試應(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(guò)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，比如，在配置FPGA實(shí)現(xiàn)10Hz溫度采集的同時(shí)進(jìn)行50kHz的振動(dòng)測(cè)試；并可實(shí)現(xiàn)任何I/O之間的同步，比如，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。沒(méi)有FPGA技術(shù)，則很難實(shí)現(xiàn)單個(gè)系統(tǒng)同時(shí)滿足這些不同的車(chē)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)，對(duì)處理速度要求很高，但算法相對(duì)簡(jiǎn)單，可用FPGA進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。此外，可很方便地在FPGA上實(shí)現(xiàn)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)已成功應(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(kāi)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)等研究。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(guò)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)，而避免了在設(shè)計(jì)過(guò)程中購(gòu)買(mǎi)多個(gè)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(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。

FPGA技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可自定義邏輯、高可靠性等，可廣泛應(yīng)用于車(chē)載測(cè)試和開(kāi)發(fā)定制板卡。但工程師在FPGA編程時(shí)，往往需要掌握硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言如VHDL之類(lèi)的知識(shí)。而圖形化開(kāi)發(fā)工具，比如NaTIonal Instruments (NI)的高效圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW，則是專(zhuān)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、最快速的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的需求。