-- 作者：wangxinxin
-- 發(fā)布時(shí)間：2010-11-12 15:42:24
-- 使用FPGA技術(shù)取代多種載具內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)
探討FPGA
FPGA是一個(gè)內(nèi)含可重設(shè)組態(tài)之閘門陣列邏輯電路矩陣的設(shè)備。當(dāng)工程師設(shè)定FPGA的組態(tài)時(shí)，內(nèi)部電路便連接，將軟件的應(yīng)用轉(zhuǎn)換為硬件布制。和處理器不同的是，F(xiàn)PGA采用專屬硬件來(lái)處理邏輯，而且沒(méi)有作業(yè)系統(tǒng)。FPGA技術(shù)提供許多優(yōu)勢(shì)，包括自訂I/O計(jì)時(shí)和同步化、20 MHz控制迴圈速率、專屬硬件的穩(wěn)定性，以及數(shù)字信號(hào)處理和分析。
傳統(tǒng)上，工程師需要擁有硬件設(shè)計(jì)工具和VHDL等程式語(yǔ)言的龐大知識(shí)，才能設(shè)計(jì)FPGA的功能。.CompactRIO中的FPGA使用National Instruments LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具來(lái)設(shè)計(jì)程式，因此工程師可以用很短的時(shí)間，自行訂定并重設(shè)CompactRIO中的FPGA的組態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)功能需要改變時(shí)，開(kāi)發(fā)人員只需將新的NI LabVIEW程式下載到FPGA，即可改變CompactRIO的特性。
FPGA運(yùn)用于載具內(nèi)I/O的彈性及效能
CompactRIO提供廣泛的I/O模組，用于連接至任何載具內(nèi)感測(cè)器、致動(dòng)器，以及網(wǎng)路。工程師可以完全自行設(shè)定每一項(xiàng)應(yīng)用的I/O時(shí)間、同步作業(yè)、處理，以及控制速率。
I/O 感測(cè)器和信號(hào)類型 模組 通道 特殊功能
溫度 熱電偶 NI 9211 4 24位元解析度，15 S/s
RTD NI 9217 4 24位元解析度，100 S/s
聲音和震動(dòng) IEPE感測(cè)器（加速計(jì)／麥克風(fēng)） NI 9233 4 24位元解析度，每個(gè)通道50 kS/s，同步， IEPE調(diào)節(jié)，反失真
張力 橋接式感測(cè)器（應(yīng)力規(guī)，壓力傳感器） NI 9237 4 24位元解析度，每個(gè)通道50 kS/s，同步，全／半橋(full-/half-bridge)
電壓 ±200 mV至±10 V NI 9205 32 16位元解析度，250 kS/s
±60 V NI 9221 8 12位元解析度，800 kS/s
燃料電池(Fuel cell) ±200 mV至±10 V NI 9206 32 16位元解析度，250 kS/s, 600 V DC CAT I 隔離
CAN通訊 雙埠高速CAN介面 NI 9583 2 雙埠高速CAN模組
表一：CompactRIO的載具內(nèi)I/O
取樣速率的彈性
由于FPGA直接連接至每一個(gè)I/O模組，因此工程師可以設(shè)定CompactRIO中每一個(gè)模組的取樣速率。這項(xiàng)功能為系統(tǒng)提供無(wú)與倫比的時(shí)間彈性。在一部CompactRIO系統(tǒng)中，工程師可以用10 S/s的速度擷取溫度量測(cè)，同時(shí)以50 kS/s的速度監(jiān)督震動(dòng)量測(cè)。工程師也可以直接在FPGA上進(jìn)行資料取捨，在同一個(gè)I/O模組中設(shè)定不同的通道，采用不同的速率。
I/O同步化
FPGA技術(shù)應(yīng)用于載具內(nèi)資料擷取及測(cè)試方面的優(yōu)點(diǎn)之一，就是能夠在任何I/O模組之間獲得決定性的硬體同步化。舉例來(lái)說(shuō)，NI 9853 CAN介面模組和任何模擬或數(shù)字輸入模組都可以執(zhí)行讀取動(dòng)作，以獲得毫微秒(nanosecond)解析度的同步測(cè)量功能。運(yùn)用這種同步化功能，測(cè)試工程師可以從一部特定的CAN設(shè)備（例如電子控制元件ECU或致動(dòng)器）讀取數(shù)值，再將數(shù)值和來(lái)自同步執(zhí)行的模擬或數(shù)字輸入埠的資料作比較。
40 MHz的決策
對(duì)于快速建立原型之類的控制應(yīng)用而言，F(xiàn)PGA客制硬件的效能會(huì)以極快的速度進(jìn)行密閉迴圈控制。只要使用任一種I/O模組，工程師就可以設(shè)定CompactRIO，使它對(duì)輸入的CAN、模擬或數(shù)字資料進(jìn)行反應(yīng)，決定速度可以高達(dá)40 MHz。過(guò)去這一類的應(yīng)用需要使用高價(jià)的客制硬件，才能獲得這樣的效能。
「過(guò)去我們至少要花兩年的人力和五十萬(wàn)元，才能使用自行設(shè)計(jì)的硬體開(kāi)發(fā)出類似的ECU原型建立系統(tǒng)。就這個(gè)專案而言，設(shè)備的成本（包括機(jī)車和CompactRIO）是一萬(wàn)五千元。此外，我們大約花了三個(gè)月的人力在這項(xiàng)專案上。CompactRIO和LabVIEW Real-Time提供我們需要的穩(wěn)定性和精確計(jì)時(shí)資源，而且系統(tǒng)有足夠的堅(jiān)固性，可以承受操作環(huán)境的高溫和高震動(dòng)�！�
–Drivven, Inc.總裁Carroll G. Dase
感測(cè)器層級(jí)的信號(hào)處理及分析
CompactRIO中的FPGA就像一個(gè)平行處理引擎，因此工程師可以對(duì)任何感測(cè)器信號(hào)執(zhí)行高級(jí)信號(hào)處理和分析。舉例來(lái)說(shuō)，解譯轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)通常需要大量的處理器運(yùn)算能力。工程師可以設(shè)計(jì)FPGA，讓它在硬件中解譯多種感測(cè)器信號(hào)，允許網(wǎng)路上的CPU去執(zhí)行其它的處理作業(yè)。此外，工程師也可以使用LabVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具組(Digital Filter Design Toolkit)，輕松地在FPGA硬件中使用高級(jí)數(shù)字濾波器。
獨(dú)立操作及網(wǎng)路化操作
CompactRIO控制器內(nèi)含一顆嵌入式即時(shí)處理器，用于智慧型獨(dú)立運(yùn)作；包含乙太網(wǎng)路及序列埠，可以連接至主電腦和週邊；并且使用LabVIEW Real-Time軟體進(jìn)行決定控制、資料記錄，以及分析。此外，你可以將乙太網(wǎng)路埠與內(nèi)附的網(wǎng)頁(yè)及檔案伺服器結(jié)合，這樣操作者就可以輕易地取用在控制器上執(zhí)行的嵌入式程式。由于它具備兩個(gè)9至35 V（操作時(shí)為6至35 V）電源供應(yīng)輸入，因此工程師可以直接用載具電瓶提供CompactRIO電力�？刂破鲀�(nèi)含最多512 MB的非永久存儲(chǔ)器，用于載具內(nèi)資料記錄之用。
圖二：CompactRIO執(zhí)行獨(dú)立或網(wǎng)路化操作，供載具內(nèi)應(yīng)用。
輕巧而堅(jiān)固的封裝，適用任何載具內(nèi)環(huán)境
CompactRIO的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)造出一款能夠承受任何嚴(yán)苛的載具內(nèi)測(cè)試環(huán)境（例如亞利桑那州測(cè)試場(chǎng)的干熱天候）的系統(tǒng)。CompactRIO保持輕巧的體積、低電力消耗，以及-40至70 oC的作業(yè)溫度范圍，并通過(guò)多種工業(yè)認(rèn)證和規(guī)章。四個(gè)插槽的可重設(shè)組態(tài)嵌入式系統(tǒng)的體積是179.6 x 88.1 x 88.1公釐（7.07 x 3.47 x 3.47 吋），重量只有1.58公斤（3.47磅）。八個(gè)插槽的系統(tǒng)加上32個(gè)通道的I/O模組，最多可以在一部系統(tǒng)中提供256個(gè)I/O通道。此平臺(tái)最多可承受50g的撞擊，最高2,300 Vrms 隔離（承受力），而且具備國(guó)際性的安全性、EMC，以及環(huán)境認(rèn)證。
「CompactRIO平臺(tái)的輕巧體積和堅(jiān)固性使它成為載具內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)的理想選擇，能夠在我們的測(cè)試過(guò)程的嚴(yán)苛環(huán)境中生存下來(lái)�！�
–PACCAR系統(tǒng)工程師 Andrew Leslie
建立客制的載具內(nèi)I/O
運(yùn)用CompactRIO系統(tǒng)的開(kāi)放性，工程師可以迅速開(kāi)發(fā)客制模組，以滿足特殊的載具內(nèi)I/O需求。CompactRIO模組開(kāi)發(fā)工具組提供授權(quán)許可、設(shè)計(jì)指南，以及LabVIEW FPGA軟體工具的存取能力，以建立客制模組。協(xié)力廠商推出載具內(nèi)擷取及控制模組，為CompactRIO加入以下功能：
o GPS（全球定位系統(tǒng)）監(jiān)督
o GPRS（通用封包廣播服務(wù)），供無(wú)線通信使用
o GSM（移動(dòng)通信全球系統(tǒng)），供無(wú)線資料交換使用
o LIN（區(qū)域性連接網(wǎng)路）通信
o ARINC-429和MIL-1553航空協(xié)定，供飛行間測(cè)試
o 客制直流傳動(dòng)(power-train)模組
「LabVIEW和可重設(shè)組態(tài)I/O FPGA技術(shù)使我們得以迅速開(kāi)發(fā)Gxxx行動(dòng)模組。最后完成的系統(tǒng)所提供的可靠性，若是沒(méi)有CompactRIO技術(shù)，是不可能達(dá)成的�，F(xiàn)在客戶可以輕松地建立遠(yuǎn)端操作及監(jiān)督的移動(dòng)系統(tǒng)，具備無(wú)線通信、計(jì)時(shí)及全球定位功能。」
- Wolfram Koerver, CEO, S.E.A. Datentechnik GmbH
利用嵌入式FPGA以及通用的程式設(shè)計(jì)環(huán)境，工程師可以使用CompactRIO和LabVIEW來(lái)建立任何載具內(nèi)測(cè)試、控制及設(shè)計(jì)應(yīng)用程式。FPGA的高速及同步化功能，結(jié)合堅(jiān)固的外形及廣泛的I/O模組，使CompactRIO成為載具內(nèi)應(yīng)用的理想平臺(tái)。
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