摘? 要： 隨著汽車電子技術的發展，測試項目和測試要求也越來越多，因而測試系統的可擴展性備受關注。新一代汽車電子系統測試技術著重于在行駛中完成各種機電系統運行狀態的測試，以便縮短測試時間，完成可靠性檢測。現場可編程門陣列（FPGA）技術的自定義邏輯功能和高可靠性的特點可解決上述車載測試難點，同時滿足低成本、系統可擴展性和復雜的測試環境要求。
關鍵詞： 汽車測試；FPGA；LabVIEW；圖形化編程；模塊開發；CompactRIO
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汽車在出廠之前，從研發設計到整車下線要經過嚴格的檢測，以確保產品的質量以及各分系統工作的可靠性和安全性。隨著汽車電子技術的發展，測試項目和測試要求越來越多，測試系統的可擴展性受到更多的關注。新一代汽車電子系統測試技術著重于在行駛中完成各種機電系統運行狀態的測試，以便縮短測試時間，完成可靠性檢測。汽車測試類型多樣，涉及到不同的信號類型。例如，通過多測點的溫度測量來檢驗空調系統的功效；通過監控CAN網絡以保證各控制單元或設備間正常通信；通過加速度測量來驗證平順性。這些不同性質的測試，往往需要相應的測試設備來完成，這就要求工程師分別去熟悉這些不同的測試設備。
為了保證順利完成試驗目的，測試系統必須具備高度的可靠性。例如，在汽車碰撞試驗中需要記錄傳感器測量數據和圖像數據。由于測試環境比較復雜，燃料電池測試中的電池堆共模電壓可能超過千伏，需要有良好的對地隔離性能。考慮到測試空間、預算等因素，廠商也希望能夠用一個集成的并且高度可靠的測試系統替代這些不同的分立測試設備，以期根據具體應用定義功能，同時又能滿足測試環境和技術指標的要求。
現場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)技術具有自定義邏輯功能和高可靠性的特點，工程師可將FPGA技術融入測試系統，解決上述車載測試難點，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相關技術在車載測試中的應用。
FPGA技術——“一個平臺 多種應用”
FPGA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(Logic Cell Array)完成。邏輯單元陣列內部包括可配置邏輯模塊（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）3個部分。工程師可通過軟件編程重新配置FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊，以實現自定義的邏輯。
FPGA技術具有很多優勢，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。
不同車載測試的技術指標也存在差異，包括采樣率、信號調理、處理和分析。例如，采樣率范圍從GPS數據記錄的15 Hz到碰撞試驗的200 kHz不等。應用FPGA直接連接到數字和模擬I/O，可對各通道定義不同的采樣率和觸發，實現單個系統解決所有車載測試的應用，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(例如在配置FPGA實現10 Hz溫度采集的同時進行50 kHz的振動測試)；還可實現任何I/O之間的同步(例如實現CAN總線數據和數字或模擬I/O信號間納秒級的同步測量)。如果沒有FPGA技術，單個系統很難同時滿足這些不同的車載測試需求。
應用FPGA技術，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，因此要求處理速度很高，同時算法相對簡單。采用FPGA進行編程可實現該算法，同時，還可很方便地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使FPGA技術成功應用于高速數據采集處理卡和高速圖像采集處理卡的研發。
此外，利用FPGA可自定義邏輯功能開發定制板卡，用于發動機控制單元(ECU)的快速原型設計和硬件在環仿真(HIL)。FPGA可實現硬件層面極快的閉環控制循環速率。通過FPGA編程對CAN、模擬或數字的信號輸入作出快速響應，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Yamaha YZF-R6發動機控制系統的原型設計，避免了在設計過程中購買多個定制硬件，從而降低了成本；MicroNova同樣使用具有高可靠性、可定制邏輯功能的FPGA硬件平臺實現了世界上第一個V12汽油發動機的硬件在環仿真。
圖形化FPGA編程
FPGA技術有很多優點，可廣泛應用于車載測試和開發定制板卡。工程師在利用FPGA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，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實現最快速開發系統的需求。
LabVIEW直觀的圖形化開發特性，使得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，大幅縮短了開發時間和成本。LabVIEW是一個開放性的軟件平臺，對于一些特定的應用，可提供多種工具包和模塊來提升和加速系統開發。例如，通過LabVIEW FPGA模塊，工程師就無需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，創建自定義硬件。如圖1所示，在FPGA上實現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，只需下載新的代碼到FPGA，而無需定制新的硬件。同時，為方便工程師直接使用現成的VHDL代碼，提供了VHDL語言接口。LabVIEW Real-Time模塊用于針對實時硬件目標開發時間確定性的應用程序；嵌入式開發系統模塊適用于任何32位處理器的圖形化開發；DSP模塊則適用于圖形化DSP算法開發，集成數字濾波器設計工具包；信號處理工具包適用于測試數據的高精度頻譜分析和顯示。總之，圖形化開發軟件LabVIEW極大地提高了工程師的工作效率。
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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。下面以2個解決方案為例，說明基于FPGA技術的硬件平臺在車載測試中的應用。
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（熱電偶或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。這些信號都用于評價汽車性能。
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需求時，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)。采用CompactRIO平臺的低成本解決方案，大大節省了預算。
圖2所示CompactRIO硬件平臺是一個基于FPGA技術的嵌入式系統。FPGA芯片是CompactRIO體系結構的核心，直接與相應的車載模塊相連。車載模塊可直接與車用傳感器、執行器與網絡相聯，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50倍g沖擊，工作于-40 ℃～+70 ℃溫度范圍，提供雙電壓輸入（9～35 V），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。
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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，通過選擇相應的車載模塊和內置的應用程序，可實現不同測試需求。例如為了實現冬季或夏季試驗中發動機熱管理系統的評價測試，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開放式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：自定義遠程模塊開發
無線通信技術已廣泛應用于實現汽車行進中的狀態監控、精確定位和遠程通信，包括GPS導航和精確定位、胎壓監測等。其中，GPS在日本和歐美汽車上的安裝普及率逐年上升，在國內也越來越受關注。
德國S.E.A.Datentechnik GmbH公司針對車載無線通信測試的需求，為了盡快將產品投入市場，選擇了基于FPGA技術的CompactRIO開放式硬件平臺和LabVIEW開發環境。根據車載遠程控制、數據采集、位置跟蹤等應用需求開發了cRIO GPRS(General Packet Radio Service)、 cRIO GPS(Global Positioning System)、cRIO RCC(Radio Controlled Clock)和一個混合模塊cRIO Gxxx，如圖3所示。最終，整個項目的開發時間比原計劃縮短了40%。??
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????GPS模塊通過接收L1波段的GPS信號實現精確定位。接收機可以在啟動之后將數據轉換成NMEA 0183格式，以便進一步分析。備份電池可以保證接受機的記憶功能，存儲歷史信息，如位置數據。該模塊可用于汽車導航、精確定位。GPRS模塊通過GSM/GPRS公網進行測量數據和事件消息傳輸，同時使用SIM卡讀卡器接入GSM/GPRS網絡，以短信方式收發數據，可應用汽車防盜系統。RCC模塊用于分布式系統的時間同步；混合模塊則集合了以上功能。在車載應用時，CompactRIO嵌入式系統的高度可靠性得以充分體現。
這些模塊除用于車載測試外，還可廣泛應用于ATM終端、工業和遠程醫療系統、遠程診斷等。
FPGA技術帶來了車載測試技術的創新，憑借開發基于FPGA硬件的單個系統可以實現不同的車載測試應用，而無需定制多個測試設備。圖形化FPGA編程則進一步縮短了開發時間。NI CompactRIO是基于FPGA的硬件平臺之一，用戶可以開發適用于汽車總線、不同信號類型的車載測試應用，甚至可以自己定制開發模塊實現特定的車載測試功能。