1. 引言

汽車在出廠之前，從研發(fā)設(shè)計到整車下線要經(jīng)過嚴格的檢測，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。隨著汽車電子技術(shù)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(guān)注。新一代汽車電子系統(tǒng)測試技術(shù)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(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；通過加速度測量來驗證平順性。這些不同性質(zhì)的測試，往往需要不同的測試設(shè)備來完成；工程師需要去熟悉這些不同的測試設(shè)備。

為了保證順利完成試驗?zāi)康模瑴y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(fù)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。考慮測試空間、預(yù)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(shè)備，可根據(jù)具體應(yīng)用定義功能，同時又能滿足測試環(huán)境和技術(shù)指標的要求。

因為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)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(shù)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(fù)雜的測試環(huán)境要求。本文將探討FPGA相關(guān)技術(shù)在車載測試中的應(yīng)用。

2. FPGA技術(shù)一個平臺多種應(yīng)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(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)三個部分。工程師可通過軟件編程實現(xiàn)FPGA內(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)指標也不同，包括采樣率、信號調(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(yīng)用FPGA技術(shù)實現(xiàn)單個系統(tǒng)解決所有這些車載測試應(yīng)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(yīng)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(shù)，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(yīng)用FPGA技術(shù)，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(yù)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(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發(fā)定制板卡，用于發(fā)動機控制單元(ECU)的快速原型設(shè)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(yīng)，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(yīng)用FPGA的可重復(fù)配置性能，實現(xiàn)了Yamaha YZF-R6發(fā)動機控制系統(tǒng)的原型設(shè)計，而避免了在設(shè)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。

3. 圖形化FPGA編程

FPGA技術(shù)有很多優(yōu)點，比如可自定義邏輯、高可靠性等，可廣泛應(yīng)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(shè)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(yīng)用系統(tǒng)的工程師和科學(xué)家設(shè)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。