因為現場可編程門陣列(FPGA)技術具有自定義邏輯功能和高可靠性的特點，所以，工程師已將FPGA技術融入測試系統，解決汽車電子設計與測試的困難，同時滿足低成本、系統可擴展性和復雜的測試環境要求。本文將探討FPGA相關技術在汽車電子中的應用。

FPGA技術的應用領域 

        FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可編程器件進一步發展的產物，其邏輯功能由內部規則排列的邏輯單元陣列完成。邏輯單元陣列內部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內部連線(Interconnect)三個部分。工程師可通過軟件編程實現FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實現自定義的邏輯。 

        FPGA技術有很多優勢，包括自定義I/O硬件定時和同步、高度可靠性、數字信號處理和分析等。這些優勢為快速增長的汽車電子測試技術提供了靈活的低成本解決方案。基于FPGA技術的汽車電子應用主要包括車載數據采集和對電子控制單元(ECU)的硬件在環(HIL)仿真。 

        1) 車載數據采集 

        車載數據采集系統(IVDAS)作為最常見的汽車電子測試應用之一，主要用于記錄和分析汽車內的多種傳感器的信號，同時對測試系統的可靠性、便攜性和開發性等具有較高的要求。車載應用涉及的技術指標包括采樣率、信號調理、處理和分析等。例如，采樣率的范圍從GPS數據記錄的15Hz到碰撞試驗的200kHz不等，由于FPGA可以直接連接到數字和模擬I/O，并可對各通道定義不同的采樣率和觸發。所以，基于FPGA技術的系統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用中，比如，在配置FPGA實現10Hz溫度采集的同時進行50kHz的振動測試；并可實現任何I/O之間的同步，比如，實現CAN總線數據和數字或模擬I/O信號間納秒級的同步測量。沒有FPGA技術，則很難實現單個系統同時滿足這些不同的車載數據采集的需求。 

        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。在很多信號處理系統中，底層的信號預處理算法要處理大量的數據，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。此外，可很方便地在FPGA上實現對所采集的信號作數字濾波運算、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據采集的應用。 

        2) ECU的硬件在環仿真 

        硬件在環仿真作為設計流程中重要的組成部分，是對虛擬運行環境中的設備進行非常逼真的實際I/O的模擬。其最顯著的優點是可以對實際情況進行模擬，而不會產生實際危險。您可以在真實世界中不能實現的極端條件下對控制裝置進行測試－在理論上汽車可以達到的最高行駛速度下進行測試。功能強大的高逼真度硬件在環實時仿真不僅通過縮短開發周期加快了產品上市時間，還由于測試期間無需使用實際硬件而降低了設備成本以及相關的維護成本。ECU是用于汽車發動機和傳動系控制的電子裝置，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，以產生用于控制發動機的信號和傳動系參數。作為汽車最核心的部件之一，ECU設計中任何一個微小的差錯都會導致車毀人亡。這使得硬件在環仿真成為了在最終運用之前對ECU進行測試的標準方法。 

        一個典型的硬件在環系統(見圖1)包括用于引擎模型仿真的控制器，該控制器運行在實時環境下并仿真引擎上的各種動態特性；I/O模塊用來接收ECU的輸出信號并將經過引擎仿真后的信號反饋給ECU，使用FPGA技術可以創建自定義的I/O來滿足仿真條件下對各種信號的需求，例如用于爆震、火花、發動機位置傳感器，燃油噴射器以及歧管壓力的同步信號，和開關、溫度、腳踏板、油門和汽車行駛速度等異步信號；此外還包括測試數據的記錄和測試步驟等。為了構成一個完整的系統，還需要一臺主機運行操作界面，并配合相應的測試管理軟件和后續數據分析軟件。

圖1 一個典型的硬件在環系統的構成

        由于硬件在環測試往往要求系統在極高的速度下運行，多個輸入/輸出設備之間的精確定時和同步就顯得極為重要。例如，您可以通過FPGA的I/O向控制器輸出一個可變磁阻傳感器信號，并確保控制器在適當的時間和正確的電流下打開和關閉燃油噴射器。與傳統的定制系統相比，基于FPGA技術的系統在實現精確且同步的波形生成和獲取方面具有明顯的優點，它可以實現多個I/O在高速下進行同步，并快速完成信號數據與輸入/輸出信息間的轉換。 

        除了實現對ECU的硬件在環仿真，FPGA還可應用于對ECU的快速原型設計中，從硬件層面驗證控制算法和模型的效果，同時FPGA的并行性允許將多個快速控制循環集成在同一個系統中。例如，Drivven公司應用FPGA的可重復配置性能，實現了對Yamaha YZF-R6發動機控制系統的原型設計，而避免了在設計過程中購買多個定制硬件的需要，從而降低了成本。

圖形化FPGA編程 

        FPGA技術有很多優點，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的設計流程中。但工程師在對FPGA進行編程時，往往需要掌握硬件設計語言如VHDL之類的知識。而圖形化開發工具，比如National Instruments (NI)的高效圖形化開發環境LabVIEW，則是專為需要建立靈活的可擴展性測試測量和控制應用系統的工程師和科學家設計的，以滿足他們以最小的成本、最快的速度開發系統的需求。 

        LabVIEW直觀的圖形化開發特性，可使工程師把更多的精力集中在功能開發上，而不是代碼撰寫上，進而大幅縮短開發時間和成本。LabVIEW又是一個開放性的軟件平臺，對于一些特定的應用，提供多種工具包和模塊來提升和加速系統開發。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知識，便可在WINDOWS操作系統上，通過圖形化開發自定義的FPGA邏輯代碼并下載到FPGA硬件目標，來實現創建自定義硬件。如圖2所示，使用LabVIEW FPGA實現CAN數據和數字或模擬信號間納秒級的同步測量。當測試要求改變時，可通過下載新的代碼到FPGA，而無需新的定制硬件。同時，提供VHDL語言接口，為方便工程師直接使用現成的VHDL代碼。LabVIEW Real-Time模塊則用于針對實時硬件目標開發時間確定性的應用程序。此外，LabVIEW附加的仿真接口工具包實現了LabVIEW和MathWorks Simulink(r) 軟件(運用該軟件您可以將您的算法模型從Simulink(r)導入LabVIEW中)之間的無縫連接。總之，圖形化開發軟件LabVIEW將極大地提高工程師的工作效率。

圖2 用NI LabVIEW實現FPGA圖形化編程

        使用LabVIEW FPGA軟件和可重復配置硬件技術，可創建高性能的控制和采集系統。下面舉兩個例子，有關基于FPGA技術的硬件平臺在汽車電子中的應用。 

用戶解決方案1：便攜式車載數據采集系統 

        車載數據采集的信號類型包括溫度信號(熱電偶、RTD)、聲音和振動信號(帶IEPE激勵的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的評價。 

        德國Goepel Electronic公司在面臨上述信號類型、環境條件復雜、有大量數據存儲要求，用于車載測試分析和在線診斷的便攜式測試設備時，選擇了NI CompactRIO嵌入式控制系統，LabVIEW FPGA模塊和LabVIEW Real-Time模塊。在很短的時間內開發了CARLOS (in-car logging system)，加上CompactRIO平臺的低成本解決方案，從而大大節省了預算。

圖3 Goepel CARLOS車載數據采集系統

        CompactRIO硬件平臺(見圖3)是一個基于FPGA技術的嵌入式系統。FPGA芯片是CompactRIO體系結構的核心，直接和相應的車載模塊相連。車載模塊可直接和車用傳感器、執行器和網絡相聯，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、車載數據記錄和分析等。CompactRIO具有小型、堅固的機械封裝、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適用于復雜的車載測試環境和有限的測試空間。 

        該系統已成功用于實驗室、風洞和試驗場上的汽車測試，可長時間記錄數據。另外，可通過選擇相應的車載模塊和內置的應用程序，實現不同測試的需求。比如為了實現冬季或夏季試驗中發動機熱管理系統的評價，只需選擇溫度等信號對應的車載模塊和已開發好的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數據寫入EXCEL表格、或直接寫進數據庫、歷史數據查看等功能。此外，基于FPGA的CompcatRIO開放試架構允許用戶擴展系統或進一步開發自定義的測試系統。

用戶解決方案2：用于BMW V12汽油發動機的硬件在環仿真 

        MicroNova公司在基于NI LabVIEW FPGA模塊和NI PXI-7831R可重復配置I/O模塊上，開發了一種全新的、靈活的可編程引擎硬件在環仿真系統(見圖4)，該系統能夠直接對BMW 12缸概念車的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的系統。

圖4 MicroNova V12汽油發動機的硬件在環仿真系統

        該引擎硬件在環仿真系統可以與曲軸角度同步記錄所有的汽油噴射時間和點火角度，并將這些數據提供給控制器作為仿真輸入。同時通過模擬、數字以及脈寬調制器接口采集輸入信號并輸出相應的變量數據。而碰撞信號的仿真則是通過多達六個獨立傳感器，根據用戶定義的碰撞函數，產生基于轉速的輸出信號。 

        NI的PXI平臺為該系統提供了完整的硬件模塊的選擇，同時PXI高級的定時和觸發特性保證了汽車信號間同步采樣達到微秒級的觸發精度。而基于PXI平臺的可重復配置I/O模塊更是保證了高精度、靈活的采集引擎高速傳感信號。因為使用了LabVIEW開發FPGA，可以很方便的改變相應的組合邏輯，并針對不同氣缸數目的各種引擎應用不同的軟件配置，大大節省了開發成本、提升了性能。同時，使用了LabVIEW仿真接口工具包，可以很快速的將在MathWorks Simulink(r)下開發的仿真模型整合到LabVIEW的平臺中，節省了大量的開發時間。總之，得益于PXI平臺和基于FPGA的可重復配置I/O組件的模塊化特性和靈活性，MicroNova公司在很短的時間內便開發出了高性能的ECU硬件在環仿真系統，成功應用于BMW 12缸的最新概念車型的驗證。

本文小結

    FPGA技術帶來了汽車電子測試技術的創新，憑借開發基于FPGA硬件的單個系統可以解決不同的汽車設計和測試應用，而無需多個定制的測試設備。基于LabVIEW的圖形化FPGA編程則進一步縮短了開發時間。NI CompactRIO和基于PXI的可重復配置I/O模塊都是基于FPGA的硬件平臺，用戶不僅可以開發適用于涉及汽車總線、不同信號類型的車載測試應用，還可用于汽車ECU設計流程中的快速原型驗證和硬件在環仿真測試。