FPGA技术在车载测试中的应用以确保车辆的质量、可靠性和安全性

1. 引言

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，以确保产品的质量和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，测试项目和要求也越来越多，因而测试系统的可扩展性越来越受关注。新一代汽车电子系统测试技术越来越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，涉及不同的信号类型，比如：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，往往需要不同的测试设备来完成；工程师需要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，比如，确保在汽车碰撞试验中将传感器测量数据和图像数据记录下来。另外，测试环境比较复杂，比如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。考虑测试空间、预算等因素，厂商也希望能够用一个集成的高度可靠的测试系统替代这些不同的分立测试设备，可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。

因为现场可编程门阵列(FPGA)技术具有自定义逻辑功能和高可靠性的特点，所以，工程师可将FPGA技术融入测试系统，解决上述车载测试困难，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。

2. FPGA技术一个平台多种应用

FPGA(Field Programmable Gate Array)，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)三个部分。工程师可通过软件编程实现FPGA内部的逻辑模块和I/O模块的重新配置，以实现自定义的逻辑。

FPGA技术有很多优势，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。下文以车载测试为例进行讨论。

不同车载测试的技术指标也不同，包括采样率、信号调理、处理和分析。比如，采样率范围从GPS数据记录的15Hz到碰撞试验的200kHz不等。而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。所以，可应用FPGA技术实现单个系统解决所有这些车载测试应用，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，比如，在配置FPGA实现10Hz温度采集的同时进行50kHz的振动测试；并可实现任何I/O之间的同步，比如，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。没有FPGA技术，则很难实现单个系统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，对处理速度要求很高，但算法相对简单，可用FPGA进行编程实现。此外，可很方便地在FPGA上实现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技术已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)等研究。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，而避免了在设计过程中购买多个定制硬件的需要，从而降低了成本；MicroNova同样使用基于具有高可靠性、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。

3. 图形化FPGA编程

FPGA技术有很多优点，比如可自定义逻辑、高可靠性等，可广泛应用于车载测试和开发定制板卡。但工程师在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，比如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、最快速的开发系统的需求。