FPGA技术在车载测试中的应用

汽车在出厂之前，从研发设计到整车下线要经过严格的检测，以确保产品的质量以及各分系统工作的可靠性和安全性。随着汽车电子技术的发展，测试项目和测试要求越来越多，测试系统的可扩展性受到更多的关注。新一代汽车电子系统测试技术着重于在行驶中完成各种机电系统运行状态的测试，以便缩短测试时间，完成可靠性检测。汽车测试类型多样，涉及到不同的信号类型。例如，通过多测点的温度测量来检验空调系统的功效；通过监控CAN网络以保证各控制单元或设备间正常通信；通过加速度测量来验证平顺性。这些不同性质的测试，往往需要相应的测试设备来完成，这就要求工程师分别去熟悉这些不同的测试设备。

为了保证顺利完成试验目的，测试系统必须具备高度的可靠性。例如，在汽车碰撞试验中需要记录传感器测量数据和图像数据。由于测试环境比较复杂，燃料电池测试中的电池堆共模电压可能超过千伏，需要有良好的对地隔离性能。考虑到测试空间、预算等因素，厂商也希望能够用一个集成的并且高度可靠的测试系统替代这些不同的分立测试设备，以期根据具体应用定义功能，同时又能满足测试环境和技术指标的要求。

现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)技术具有自定义逻辑功能和高可靠性的特点，工程师可将FPGA技术融入测试系统，解决上述车载测试难点，同时满足低成本、系统可扩展性和复杂的测试环境要求。本文将探讨FPGA相关技术在车载测试中的应用。

FPGA技术——“一个平台 多种应用”

FPGA是PAL、GAL、PLD等可编程器件进一步发展的产物，其逻辑功能由内部规则排列的逻辑单元阵列(Logic Cell Array)完成。逻辑单元阵列内部包括可配置逻辑模块（Configurable Logic Block）、输入输出模块（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）3个部分。工程师可通过软件编程重新配置FPGA内部的逻辑模块和I/O模块，以实现自定义的逻辑。

FPGA技术具有很多优势，包括自定义I/O硬件定时和同步、高度可靠性、数字信号处理和分析等。这些优势为快速增长的汽车电子测试技术提供了灵活的低成本解决方案。

不同车载测试的技术指标也存在差异，包括采样率、信号调理、处理和分析。例如，采样率范围从GPS数据记录的15 Hz到碰撞试验的200 kHz不等。应用FPGA直接连接到数字和模拟I/O，可对各通道定义不同的采样率和触发，实现单个系统解决所有车载测试的应用，避免定制硬件或多个测试系统的需要。即单个FPGA平台既可用于低速、高精度GPS或温度记录；又可通过快速编程实现用于有高采样率要求的碰撞试验；也可将不同采样率以并行方式共存于同一个测量应用中(例如在配置FPGA实现10 Hz温度采集的同时进行50 kHz的振动测试)；还可实现任何I/O之间的同步(例如实现CAN总线数据和数字或模拟I/O信号间纳秒级的同步测量)。如果没有FPGA技术，单个系统很难同时满足这些不同的车载测试需求。

应用FPGA技术，可对任何传感器信号进行高级信号处理和分析。在很多信号处理系统中，底层的信号预处理算法要处理大量的数据，因此要求处理速度很高，同时算法相对简单。采用FPGA进行编程可实现该算法，同时，还可很方便地对所采集的信号作数字滤波运算、快速傅立叶变换(FFT)、加窗等多种信号处理和分析。传感器级信号处理和分析功能使FPGA技术成功应用于高速数据采集处理卡和高速图像采集处理卡的研发。

此外，利用FPGA可自定义逻辑功能开发定制板卡，用于发动机控制单元(ECU)的快速原型设计和硬件在环仿真(HIL)。FPGA可实现硬件层面极快的闭环控制循环速率。通过FPGA编程对CAN、模拟或数字的信号输入作出快速响应，同时FPGA的并行性允许将多个快速控制循环集成在同一个系统中。例如，Drivven公司应用FPGA的可重复配置性能，实现了Yamaha YZF-R6发动机控制系统的原型设计，避免了在设计过程中购买多个定制硬件，从而降低了成本；MicroNova同样使用具有高可靠性、可定制逻辑功能的FPGA硬件平台实现了世界上第一个V12汽油发动机的硬件在环仿真。

图形化FPGA编程

FPGA技术有很多优点，可广泛应用于车载测试和开发定制板卡。工程师在利用FPGA编程时，往往需要掌握硬件设计语言如VHDL之类的知识。而图形化开发工具，如National Instruments(NI)的高效图形化开发环境LabVIEW，则是专为需要建立灵活的可扩展性测试测量和控制应用系统的工程师和科学家设计的，以满足他们以最小的成本实现最快速开发系统的需求。

LabVIEW直观的图形化开发特性，使得工程师把更多的精力集中在功能开发上，而不是代码撰写上，大幅缩短了开发时间和成本。LabVIEW是一个开放性的软件平台，对于一些特定的应用，可提供多种工具包和模块来提升和加速系统开发。例如，通过LabVIEW FPGA模块，工程师就无需硬件描述语言和硬件设计相关专业知识，便可在WINDOWS操作系统上，通过图形化开发自定义的FPGA逻辑代码并下载到FPGA硬件目标，创建自定义硬件。如图1所示，在FPGA上实现CAN数据和数字或模拟信号间纳秒级的同步测量。当测试要求改变时，只需下载新的代码到FPGA，而无需定制新的硬件。同时，为方便工程师直接使用现成的VHDL代码，提供了VHDL语言接口。LabVIEW Real-Time模块用于针对实时硬件目标开发时间确定性的应用程序；嵌入式开发系统模块适用于任何32位处理器的图形化开发；DSP模块则适用于图形化DSP算法开发，集成数字滤波器设计工具包；信号处理工具包适用于测试数据的高精度频谱分析和显示。总之，图形化开发软件LabVIEW极大地提高了工程师的工作效率。

使用LabVIEW FPGA软件和可重复配置硬件技术，可创建高性能的控制和采集系统。下面以2个解决方案为例，说明基于FPGA技术的硬件平台在车载测试中的应用。

用户解决方案1：便携式车载数据采集系统

车载数据采集的信号类型包括温度信号（热电偶或RTD）、声音和振动信号（带IEPE激励的加速度传感器或麦克风）、压力和载荷信号（应变计或称重传感器）、位置信号（LVDT或线性电位计）、速度信号（编码器）、控制总线信号（CAN，J1350，ODBII）以及视频信号等。这些信号都用于评价汽车性能。

德国Goepel Electronic公司在面临上述信号类型、环境条件复杂、有大量数据存储要求、用于车载测试分析和在线诊断的便携式测试设备需求时，选择了NI CompactRIO嵌入式控制系统、LabVIEW FPGA模块和LabVIEW Real-Time模块，在很短的时间内开发了CARLOS(in-car logging system)。采用CompactRIO平台的低成本解决方案，大大节省了预算。

图2所示CompactRIO硬件平台是一个基于FPGA技术的嵌入式系统。FPGA芯片是CompactRIO体系结构的核心，直接与相应的车载模块相连。车载模块可直接与车用传感器、执行器与网络相联，并提供信号调理、隔离和汽车总线。该平台包含一个嵌入式实时处理器，可用于独立工作、确定性控制、车载数据记录和分析等。CompactRIO具有小型、坚固的机械封装，可承受50倍g冲击，工作于-40 ℃～+70 ℃温度范围，提供双电压输入（9～35 V），可直接从车上电池取电。这些都使CARLOS适用于复杂的车载测试环境和有限的测试空间。

该系统已成功用于实验室、风洞和试验场上的汽车测试，可长时间记录数据。另外，通过选择相应的车载模块和内置的应用程序，可实现不同测试需求。例如为了实现冬季或夏季试验中发动机热管理系统的评价测试，只需选择温度等信号对应的车载模块和已开发好的LabVIEW应用程序即可。同时，该程序提供报警、用LabVIEW报告生成工具包实现数据写入EXCEL表格、或直接写进数据库、历史数据查看等功能。此外，基于FPGA的CompcatRIO开放式架构允许用户扩展系统或进一步开发自定义的测试系统。

用户解决方案2：自定义远程模块开发

无线通信技术已广泛应用于实现汽车行进中的状态监控、精确定位和远程通信，包括GPS导航和精确定位、胎压监测等。其中，GPS在日本和欧美汽车上的安装普及率逐年上升，在国内也越来越受关注。

德国S.E.A.Datentechnik GmbH公司针对车载无线通信测试的需求，为了尽快将产品投入市场，选择了基于FPGA技术的CompactRIO开放式硬件平台和LabVIEW开发环境。根据车载远程控制、数据采集、位置跟踪等应用需求开发了cRIO GPRS(General Packet Radio Service)、 cRIO GPS(Global Positioning System)、cRIO RCC(Radio Controlled Clock)和一个混合模块cRIO Gxxx，如图3所示。最终，整个项目的开发时间比原计划缩短了40%。

GPS模块通过接收L1波段的GPS信号实现精确定位。接收机可以在启动之后将数据转换成NMEA 0183格式，以便进一步分析。备份电池可以保证接受机的记忆功能，存储历史信息，如位置数据。该模块可用于汽车导航、精确定位。GPRS模块通过GSM/GPRS公网进行测量数据和事件消息传输，同时使用SIM卡读卡器接入GSM/GPRS网络，以短信方式收发数据，可应用汽车防盗系统。RCC模块用于分布式系统的时间同步；混合模块则集合了以上功能。在车载应用时，CompactRIO嵌入式系统的高度可靠性得以充分体现。

这些模块除用于车载测试外，还可广泛应用于ATM终端、工业和远程医疗系统、远程诊断等。

FPGA技术带来了车载测试技术的创新，凭借开发基于FPGA硬件的单个系统可以实现不同的车载测试应用，而无需定制多个测试设备。图形化FPGA编程则进一步缩短了开发时间。NI CompactRIO是基于FPGA的硬件平台之一，用户可以开发适用于汽车总线、不同信号类型的车载测试应用，甚至可以自己定制开发模块实现特定的车载测试功能。