汽車在出廠之前，從研發(fā)設計到整車下線要經(jīng)過嚴格的檢測，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量以及各分系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，測試項目和測試要求越來越多，測試系統(tǒng)的可擴展性受到更多的關(guān)注。新一代汽車電子系統(tǒng)測試技術(shù)著重于在行駛中完成各種機電系統(tǒng)運行狀態(tài)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(diào)系統(tǒng)的功效；通過監(jiān)控CAN網(wǎng)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(zhì)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(tǒng)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(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。由于測試環(huán)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(tǒng)替代這些不同的分立測試設備，以期根據(jù)具體應用定義功能，同時又能滿足測試環(huán)境和技術(shù)指標的要求。
　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）技術(shù)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(shù)融入測試系統(tǒng)，解決上述車載測試難點，同時滿足低成本、系統(tǒng)可擴展性和復雜的測試環(huán)境要求。本文將探討FPGA相關(guān)技術(shù)在車載測試中的應用。
　　FPGA技術(shù)——“一個平臺 多種應用”
　　FPGA是PAL、GAL、PLD等可編程器件進一步發(fā)展的產(chǎn)物，其邏輯功能由內(nèi)部規(guī)則排列的邏輯單元陣列（Logic Cell Array）完成。邏輯單元陣列內(nèi)部包括可配置邏輯模塊（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）3個部分。工程師可通過軟件編程重新配置FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊，以實現(xiàn)自定義的邏輯。
　　FPGA技術(shù)具有很多優(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)勢為快速增長的汽車電子測試技術(shù)提供了靈活的低成本解決方案。
　　不同車載測試的技術(shù)指標也存在差異，包括采樣率、信號調(diào)理、處理和分析。例如，采樣率范圍從GPS數(shù)據(jù)記錄的15 Hz到碰撞試驗的200 kHz不等。應用FPGA直接連接到數(shù)字和模擬I/O，可對各通道定義不同的采樣率和觸發(fā)，實現(xiàn)單個系統(tǒng)解決所有車載測試的應用，避免定制硬件或多個測試系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)10 Hz溫度采集的同時進行50 kHz的振動測試）；還可實現(xiàn)任何I/O之間的同步（例如實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)和數(shù)字或模擬I/O信號間納秒級的同步測量）。如果沒有FPGA技術(shù)，單個系統(tǒng)很難同時滿足這些不同的車載測試需求。
　　應用FPGA技術(shù)，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(tǒng)中，底層的信號預處理算法要處理大量的數(shù)據(jù)，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(xiàn)該算法，同時，還可很方便地對所采集的信號作數(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使FPGA技術(shù)成功應用于高速數(shù)據(jù)采集處理卡和高速圖像采集處理卡的研發(fā)。
　　此外，利用FPGA可自定義邏輯功能開發(fā)定制板卡，用于發(fā)動機控制單元（ECU）的快速原型設計和硬件在環(huán)仿真（HIL）。FPGA可實現(xiàn)硬件層面極快的閉環(huán)控制循環(huán)速率。通過FPGA編程對CAN、模擬或數(shù)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(huán)集成在同一個系統(tǒng)中。例如，Drivven公司應用FPGA的可重復配置性能，實現(xiàn)了Yamaha YZF-R6發(fā)動機控制系統(tǒng)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(xiàn)了世界上第一個V12汽油發(fā)動機的硬件在環(huán)仿真。
　　圖形化FPGA編程
　　FPGA技術(shù)有很多優(yōu)點，可廣泛應用于車載測試和開發(fā)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(fā)工具，如National Instruments（NI）的高效圖形化開發(fā)環(huán)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(tǒng)的工程師和科學家設計的，以滿足他們以最小的成本實現(xiàn)最快速開發(fā)系統(tǒng)的需求。
　　LabVIEW直觀的圖形化開發(fā)特性，使得工程師把更多的精力集中在功能開發(fā)上，而不是代碼撰寫上，大幅縮短了開發(fā)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(tǒng)開發(fā)。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(guān)專業(yè)知識，便可在WINDOWS操作系統(tǒng)上，通過圖形化開發(fā)自定義的FPGA邏輯代碼并下載到FPGA硬件目標，創(chuàng)建自定義硬件。如圖1所示，在FPGA上實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)和數(shù)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(xiàn)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(fā)時間確定性的應用程序；嵌入式開發(fā)系統(tǒng)模塊適用于任何32位處理器的圖形化開發(fā)；DSP模塊則適用于圖形化DSP算法開發(fā)，集成數(shù)字濾波器設計工具包；信號處理工具包適用于測試數(shù)據(jù)的高精度頻譜分析和顯示。總之，圖形化開發(fā)軟件LabVIEW極大地提高了工程師的工作效率。