現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術具有自定義邏輯功能和高可靠性特點，，工程師已將FPGA技術融入測試系統(tǒng)，解決汽車電子設計與測試困難，同時滿足低成本、系統(tǒng)可擴展性和復雜測試環(huán)境要求。本文將探討FPGA相關技術汽車電子中應用。  
     FPGA技術應用領域  
     FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可編程器件進一步發(fā)展產(chǎn)物，其邏輯功能由內(nèi)部規(guī)則排列邏輯單元陣列完成。邏輯單元陣列內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。工程師可軟件編程實現(xiàn)FPGA內(nèi)部邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)自定義邏輯。  
     FPGA技術有很多優(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)勢為快速增長汽車電子測試技術提供了靈活低成本解決方案。基于FPGA技術汽車電子應用主要包括車載數(shù)據(jù)采集和對電子控制單元(ECU)硬件環(huán)(HIL)仿真。  
     1) 車載數(shù)據(jù)采集  
     車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(IVDAS)作為最常見汽車電子測試應用之一，主要用于記錄和分析汽車內(nèi)多種傳感器信號，同時對測試系統(tǒng)可靠性、便攜性和開發(fā)性等具有較高要求。車載應用涉及技術指標包括采樣率、信號調理、處理和分析等。例如，采樣率范圍從GPS數(shù)據(jù)記錄15Hz到碰撞試驗200kHz不等，F(xiàn)PGA可以直接連接到數(shù)字和模擬I/O，并可對各通道定義不同采樣率和觸發(fā)。，基于FPGA技術系統(tǒng)可以同時解決這些車載測試應用，避免定制硬件或多個測試系統(tǒng)需要。即單個FPGA平臺既可用于低速、高精度GPS或溫度記錄；又可快速編程實現(xiàn)用于有高采樣率要求碰撞試驗；也可將不同采樣率以并行方式共存于同一個測量應用中，比如，配置FPGA實現(xiàn)10Hz溫度采集同時進行50kHz振動測試；并可實現(xiàn)任何I/O之間同步，比如，實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)和數(shù)字或模擬I/O信號間納秒級同步測量。沒有FPGA技術，則很難實現(xiàn)單個系統(tǒng)同時滿足這些不同車載數(shù)據(jù)采集需求。  
     應用FPGA技術，還可對任何傳感器信號進行高級信號處理和分析。很多信號處理系統(tǒng)中，底層信號預處理算法要處理大量數(shù)據(jù)，對處理速度要求很高，但算法相對簡單，便可用FPGA進行編程實現(xiàn)。此外，可很方便FPGA上實現(xiàn)對所采集信號作數(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將使FPGA技術更適合于車載數(shù)據(jù)采集應用。  
     2) ECU硬件環(huán)仿真  
     硬件環(huán)仿真作為設計流程中重要組成部分，是對虛擬運行環(huán)境中設備進行非常逼真實際I/O模擬。其最顯著優(yōu)點是可以對實際情況進行模擬，而不會產(chǎn)生實際危險。您可以真實世界中不能實現(xiàn)極端條件下對控制裝置進行測試－理論上汽車可以達到最高行駛速度下進行測試。功能強大高逼真度硬件環(huán)實時仿真縮短開發(fā)周期加快了產(chǎn)品上市時間，還測試期間無需使用實際硬件而降低了設備成本以及相關維護成本。ECU是用于汽車發(fā)動機和傳動系控制電子裝置，它接收傳動速度、曲軸和凸輪軸速度以及油門位置等信號，對此信息進行處理后，以產(chǎn)生用于控制發(fā)動機信號和傳動系參數(shù)。作為汽車最核心部件之一，ECU設計中任何一個微小差錯都會導致車毀人亡。這使硬件環(huán)仿真成最終運用之前對ECU進行測試標準方法。  
     一個典型硬件環(huán)系統(tǒng)(見圖1)包括用于引擎模型仿真控制器，該控制器運行實時環(huán)境下并仿真引擎上各種動態(tài)特性；I/O模塊用來接收ECU輸出信號并將引擎仿真后信號反饋給ECU，使用FPGA技術可以創(chuàng)建自定義I/O來滿足仿真條件下對各種信號需求，例如用于爆震、火花、發(fā)動機位置傳感器，燃油噴射器以及歧管壓力同步信號，和開關、溫度、腳踏板、油門和汽車行駛速度等異步信號；此外還包括測試數(shù)據(jù)記錄和測試步驟等。構成一個完整系統(tǒng)，還需要一臺主機運行操作界面，并配合相應測試管理軟件和后續(xù)數(shù)據(jù)分析軟件。  
  
 
     硬件環(huán)測試往往要求系統(tǒng)極高速度下運行，多個輸入/輸出設備之間精確定時和同步就顯極為重要。例如，您可以FPGAI/O向控制器輸出一個可變磁阻傳感器信號，并確保控制器適當時間和正確電流下打開和關閉燃油噴射器。與傳統(tǒng)定制系統(tǒng)相比，基于FPGA技術系統(tǒng)實現(xiàn)精確且同步波形生成和獲取方面具有明顯優(yōu)點，它可以實現(xiàn)多個I/O高速下進行同步，并快速完成信號數(shù)據(jù)與輸入/輸出信息間轉換。  
     實現(xiàn)對ECU硬件環(huán)仿真，F(xiàn)PGA還可應用于對ECU快速原型設計中，從硬件層面驗證控制算法和模型效果，同時FPGA并行性允許將多個快速控制循環(huán)集成同一個系統(tǒng)中。例如，Drivven公司應用FPGA可重復配置性能，實現(xiàn)了對Yamaha YZF-R6發(fā)動機控制系統(tǒng)原型設計，而避免了設計過程中購買多個定制硬件需要，降低了成本。  
     圖形化FPGA編程  
     FPGA技術有很多優(yōu)點，比如可自定義邏輯、高可靠性等，可廣泛應用于車載測試和ECU設計流程中。但工程師對FPGA進行編程時，往往需要掌握硬件設計語言如VHDL之類知識。而圖形化開發(fā)工具，比如National Instruments (NI)高效圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW，則是專為需要建立靈活可擴展性測試測量和控制應用系統(tǒng)工程師和科學家設計，以滿足他們以最小成本、最快速度開發(fā)系統(tǒng)需求。  
     LabVIEW直觀圖形化開發(fā)特性，可使工程師把更多精力集中功能開發(fā)上，而代碼撰寫上，進而大幅縮短開發(fā)時間和成本。LabVIEW又是一個開放性軟件平臺，一些特定應用，提供多種工具包和模塊來提升和加速系統(tǒng)開發(fā)。比如，LabVIEW FPGA模塊，工程師就無須硬件描述語言和硬件設計相關專業(yè)知識，便可WINDOWS操作系統(tǒng)上，圖形化開發(fā)自定義FPGA邏輯代碼并下載到FPGA硬件目標，來實現(xiàn)創(chuàng)建自定義硬件。如圖2所示，使用LabVIEW FPGA實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)和數(shù)字或模擬信號間納秒級同步測量。當測試要求改變時，可下載新代碼到FPGA，而無需新定制硬件。同時，提供VHDL語言接口，為方便工程師直接使用現(xiàn)成VHDL代碼。LabVIEW Real-Time模塊則用于針對實時硬件目標開發(fā)時間確定性應用程序。此外，LabVIEW附加仿真接口工具包實現(xiàn)了LabVIEW和MathWorks Simulink(r) 軟件(運用該軟件您可以將您算法模型從Simulink(r)導入LabVIEW中)之間無縫連接。總之，圖形化開發(fā)軟件LabVIEW將極大提高工程師工作效率。  
 
    使用LabVIEW FPGA軟件和可重復配置硬件技術，可創(chuàng)建高性能控制和采集系統(tǒng)。下面舉兩個例子，有關基于FPGA技術硬件平臺汽車電子中應用。  
     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)采集信號類型包括溫度信號(熱電偶、RTD)、聲音和振動信號(帶IEPE激勵加速度傳感器或麥克風)、壓力和載荷信號(應變計或稱重傳感器)、位置信號(LVDT或線性電位計)、速度信號(編碼器)、控制總線信號(CAN,J1350,ODBII)，以及視頻信號等。這些信號都是用于汽車性能評價。  
     德國Goepel Electronic公司面臨上述信號類型、環(huán)境條件復雜、有大量數(shù)據(jù)存儲要求，用于車載測試分析和線診斷便攜式測試設備時，選擇了NI CompactRIO嵌入式控制系統(tǒng)，LabVIEW FPGA模塊和LabVIEW Real-Time模塊。很短時間內(nèi)開發(fā)了CARLOS (in-car logging system)，加上CompactRIO平臺低成本解決方案，大大節(jié)省了預算。  
 
    CompactRIO硬件平臺(見圖3)是一個基于FPGA技術嵌入式系統(tǒng)。FPGA芯片是CompactRIO體系結構核心，直接和相應車載模塊相連。車載模塊可直接和車用傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)絡相聯(lián)，并提供信號調理、隔離和汽車總線。該平臺包含一個嵌入式實時處理器，可用于獨立工作、確定性控制、車載數(shù)據(jù)記錄和分析等。CompactRIO具有小型、堅固機械封裝、可承受50g沖擊和-40℃到70℃工作溫度范圍等特點，提供雙電壓輸入(9-35V)，可直接從車上電池取電。這些都使CARLOS適用于復雜車載測試環(huán)境和有限測試空間。  
     該系統(tǒng)已成功用于實驗室、風洞和試驗場上汽車測試，可長時間記錄數(shù)據(jù)。另外，可選擇相應車載模塊和內(nèi)置應用程序，實現(xiàn)不同測試需求。比如實現(xiàn)冬季或夏季試驗中發(fā)動機熱管理系統(tǒng)評價，只需選擇溫度等信號對應車載模塊和已開發(fā)好LabVIEW應用程序即可；同時，該程序提供報警、用LabVIEW報告生成工具包實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入EXCEL表格、或直接寫進數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)查看等功能。此外，基于FPGACompcatRIO開放試架構允許用戶擴展系統(tǒng)或進一步開發(fā)自定義測試系統(tǒng)。  
     用戶解決方案2：用于BMW V12汽油發(fā)動機硬件環(huán)仿真  
     MicroNova公司基于NI LabVIEW FPGA模塊和NI PXI-7831R可重復配置I/O模塊上，開發(fā)了一種全新、靈活可編程引擎硬件環(huán)仿真系統(tǒng)(見圖4)，該系統(tǒng)能夠直接對BMW 12缸概念車汽油噴射器進行仿真，這是世界上第一種能夠對這種情況進行仿真系統(tǒng)。  
 
     該引擎硬件環(huán)仿真系統(tǒng)可以與曲軸角度同步記錄所有汽油噴射時間和點火角度，并將這些數(shù)據(jù)提供給控制器作為仿真輸入。同時模擬、數(shù)字以及脈寬調制器接口采集輸入信號并輸出相應變量數(shù)據(jù)。而碰撞信號仿真則是多達六個獨立傳感器，用戶定義碰撞函數(shù)，產(chǎn)生基于轉速輸出信號。  
     NIPXI平臺為該系統(tǒng)提供了完整硬件模塊選擇，同時PXI高級定時和觸發(fā)特性保證了汽車信號間同步采樣達到微秒級觸發(fā)精度。而基于PXI平臺可重復配置I/O模塊更是保證了高精度、靈活采集引擎高速傳感信號。使用了LabVIEW開發(fā)FPGA，可以很方便改變相應組合邏輯，并針對不同氣缸數(shù)目各種引擎應用不同軟件配置，大大節(jié)省了開發(fā)成本、提升了性能。同時，使用了LabVIEW仿真接口工具包，可以很快速將MathWorks Simulink(r)下開發(fā)仿真模型整合到LabVIEW平臺中，節(jié)省了大量開發(fā)時間。總之，益于PXI平臺和基于FPGA可重復配置I/O組件模塊化特性和靈活性，MicroNova公司很短時間內(nèi)便開發(fā)出了高性能ECU硬件環(huán)仿真系統(tǒng)，成功應用于BMW 12缸最新概念車型驗證。  
     本文小結  
     FPGA技術帶來了汽車電子測試技術創(chuàng)新，憑借開發(fā)基于FPGA硬件單個系統(tǒng)可以解同汽車設計和測試應用，而無需多個定制測試設備。基于LabVIEW圖形化FPGA編程則進一步縮短了開發(fā)時間。NI CompactRIO和基于PXI可重復配置I/O模塊都是基于FPGA硬件平臺，用戶可以開發(fā)適用于涉及汽車總線、不同信號類型車載測試應用，還可用于汽車ECU設計流程中快速原型驗證和硬件環(huán)仿真測試