FPGA技能在汽车电子中的应用

    由于现场可编程门阵列(FPGA)技能具有自定义逻辑成果和高可靠性的特点，以是，工程师已将FPGA技能融入测试体系，办理汽车电子计划与测试的困难，同时餍足低本钱、体系可扩展性和巨大的测试环境请求。本文将探究FPGA相干技能在汽车电子中的应用。

FPGA技能的应用范畴

    FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可编程器件进一步生长的产品，其逻辑成果由内部规矩分列的逻辑单位阵列完成。逻辑单位阵列内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连接(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技能有很多上风，包括自定义I/O硬件定时和同步、高度可靠性、数字信号处理惩罚和阐发等。这些上风为快速增长的汽车电子测试技能提供了机动的低本钱办理方案。基于FPGA技能的汽车电子应用重要包括车载数据征求和对电子控制单位(ECU)的硬件在环(HIL)仿真。

1) 车载数据征求

    车载数据征求体系(IVDAS)作为最常见的汽车电子测试应用之一，重要用于记录和阐发汽车内的多种传感器的信号，同时对测试体系的可靠性、便携性和开辟性等具有较高的请求。车载应用涉及的技能指标包括采样率、信号调理、处理惩罚和阐发等。比方，采样率的范畴从GPS数据记录的15Hz到碰撞试验的200kHz不等，由于FPGA可以直连续接到数字和模仿I/O，并可对各通道定义差别的采样率和触发。以是，基于FPGA技能的体系可以同时办理这些车载测试应用，克制定制硬件或多个测试体系的必要。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请求的碰撞试验；也可将差别采样率以并行方法共存于同一个丈量应用中，比如，在配置FPGA实现10Hz温度征求的同时举行50kHz的振动测试；并可实现任意I/O之间的同步，比如，实现CAN总线数据和数字或模仿I/O信号间纳秒级的同步丈量。没有FPGA技能，则很难实现单个体系同时餍足这些差别的车载数据征求的需求。

    应用FPGA技能，还可对任意传感器信号举行高级信号处理惩罚和阐发。在很多信号处理惩罚体系中，底层的信号预处理惩罚算法要处理惩罚大量的数据，对处理惩罚速率请求很高，但算法相对大略，便可用FPGA举行编程实现。别的，可很方便地在FPGA上实现对所征求的信号作数字滤波运算、快速傅立叶更改(FFT)、加窗等多种信号处理惩罚和阐发。传感器级信号处理惩罚和阐发成果将使FPGA技能更得当于车载数据征求的应用。

2) ECU的硬件在环仿真

    硬件在环仿真作为计划流程中紧张的构成部分，是对假造运行环境中的配置举行非常逼真的实际I/O的模仿。其最明显的好处是可以对实际环境举行模仿，而不会孕育产生实际伤害。您可以在真实天下中不克不及实现的极度条件下对控制装置举行测试－在理论上汽车可以到达的最高行驶速率下举行测试。成果强大的高逼真度硬件在环及时仿真不但通过收缩开辟周期加快了产品上市时间，还由于测试时期无需利用实际硬件而低落了配置本钱以及相干的维护本钱。ECU是用于汽车发动机和传动系控制的电子装置，它吸取传动速率、曲轴和凸轮轴速率以及油门位置等信号，对此信息举行处理惩罚后，以孕育产生用于控制发动机的信号和传动系参数。作为汽车最内核的部件之一，ECU计划中任意一个微小的不对都市导致车毁人亡。这使得硬件在环仿真成为了在终极运用之前对ECU举行测试的标准要领。

    一个典范的硬件在环体系(见图1)包括用于引擎模型仿真的控制器，该控制器运行在及时环境下并仿真引擎上的种种动态特性；I/O模块用来吸取ECU的输出信号并将颠末引擎仿真后的信号反馈给ECU，利用FPGA技能可以创建自定义的I/O来餍足仿真条件下对种种信号的需求，比方用于爆震、火花、发动机位置传感器，燃油喷射器以及比方管压力的同步信号，和开关、温度、脚踏板、油门和汽车行驶速率等异步信号；别的还包括测试数据的记录和测试步调等。为了构成一个完备的体系，还必要一台主机运行操纵界面，并共同相应的测试办理软件和后续数据阐发软件。

    由于硬件在环测试每每请求体系在极高的速率下运行，多个输入/输出配置之间的正确定时和同步就显得极为紧张。比方，您可以通过FPGA的I/O向控制器输出一个可变磁阻传感器信号，并确保控制器在得当的时间和精确的电流下打开和封闭燃油喷射器。与传统的定制体系相比，基于FPGA技能的体系在实现正确且同步的波形天生和获取方面具有明显的好处，它可以实现多个I/O在高速下举行同步，并快速完成信号数据与输入/输出信息间的转换。

    除了实现对ECU的硬件在环仿真，FPGA还可应用于对ECU的快速原型计划中，从硬件层面验证控制算法和模型的结果，同时FPGA的并行性容许将多个快速控制循环集成在同一个体系中。比方，Drivven公司应用FPGA的可重复配置性能，实现了对Yamaha YZF-R6发动机控制体系的原型计划，而克制了在计划进程中购买多个定制硬件的必要，从而低落了本钱。

图形化FPGA编程

    FPGA技能有很多好处，比如可自定义逻辑、高可靠性等，可遍及应用于车载测试和ECU的计划流程中。但工程师在对FPGA举行编程时，每每必要掌握硬件计划语言如VHDL之类的知识。而图形化开辟东西，比如National Instruments (NI)的高效图形化开辟环境LabVIEW，则是专为必要创建机动的可扩展性测试丈量和控制应用体系的工程师和科学家计划的，以餍足他们以最小的本钱、最快的速率开辟体系的需求。

    LabVIEW直观的图形化开辟特性，可使工程师把更多的精力会合在成果开辟上，而不是代码撰写上，进而大幅收缩开辟时间和本钱。LabVIEW又是一个开放性的软件平台，对付一些特定的应用，提供多种东西包和模块来提拔和加快体系开辟。比如，LabVIEW FPGA模块，工程师就无须硬件形貌语言和硬件计划相干专业知识，便可在WINDOWS操纵体系上，通过图形化开辟自定义的FPGA逻辑代码并下载到FPGA硬件目标，来实现创建自定义硬件。如图2所示，利用LabVIEW FPGA实现CAN数据和数字或模仿信号间纳秒级的同步丈量。当测试请求变化时，可通过下载新的代码到FPGA，而无需新的定制硬件。同时，提供VHDL语言接口，为方便工程师直接利用现成的VHDL代码。LabVIEW Real-Time模块则用于针对及时硬件目标开辟时间确定性的应用步伐。别的，LabVIEW附加的仿真接口东西包实现了LabVIEW和MathWorks Simulink(r) 软件(运用该软件您可以将您的算法模型从Simulink(r)导入LabVIEW中)之间的无缝连接。总之，图形化开辟软件LabVIEW将极大地进步工程师的事变服从。

图2 用NI LabVIEW实现FPGA图形化编程

    利用LabVIEW FPGA软件和可重复配置硬件技能，可创建高性能的控制和征求体系。下面举两个例子，有关基于FPGA技能的硬件平台在汽车电子中的应用。

用户办理方案1：便携式车载数据征求体系

    车载数据征求的信号范例包括温度信号(热电偶、RTD)、声音和振动信号(带IEPE鼓励的加快度传感器或麦克风)、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)、速率信号(编码器)、控制总线信号(CAN,J1350,ODBII)，以及视频信号等。这些信号都是用于汽车性能的评价。

    德国Goepel Electronic公司在面对上述信号范例、环境条件巨大、有大量数据存储请求，用于车载测试阐发和在线诊断的便携式测试配置时，选择了NI CompactRIO嵌入式控制体系，LabVIEW FPGA模块和LabVIEW Real-Time模块。在很短的时间内开辟了CARLOS (in-car logging system)，加上CompactRIO平台的低本钱办理方案，从而大大节流了预算。

    CompactRIO硬件平台(见图3)是一个基于FPGA技能的嵌入式体系。FPGA芯片是CompactRIO体系布局的内核，直接和相应的车载模块相连。车载模块可直接和车用传感器、实行器和网络相联，并提供信号调理、断绝和汽车总线。该平台包括一个嵌入式及时处理惩罚器，可用于独立事变、确定性控制、车载数据记录和阐发等。CompactRIO具有小型、牢固的机器封装、可遭受50g打击和-40℃到70℃事变温度范畴等特点，提供双电压输入(9-35V)，可直接从车上电池取电。这些都使CARLOS实用于巨大的车载测试环境和有限的测试空间。

    该体系已告成用于实行室、风洞和试验场上的汽车测试，可永劫间记录数据。别的，可通过选择相应的车载模块和内置的应用步伐，实现差别测试的需求。比如为了实现冬季或夏季试验中发动机热办理体系的评价，只需选择温度等信号映射的车载模块和已开辟好的LabVIEW应用步伐即可；同时，该步伐提供报警、用LabVIEW报告天生东西包实现数据写入EXCEL表格、或直接写进数据库、汗青数据查察等成果。别的，基于FPGA的CompcatRIO开放试架构容许用户扩展体系或进一步开辟自定义的测试体系。

用户办理方案2：用于BMW V12汽油发动机的硬件在环仿真

    MicroNova公司在基于NI LabVIEW FPGA模块和NI PXI-7831R可重复配置I/O模块上，开辟了一种全新的、机动的可编程引擎硬件在环仿真体系(见图4)，该体系可以或许直接对BMW 12缸见解车的汽油喷射器举行仿真，这是天下上第一种可以或许对这种环境举行仿真的体系。

    该引擎硬件在环仿真体系可以与曲轴角度同步记录全部的汽油喷射时间和点火角度，并将这些数据提提供控制器作为仿真输入。同时通过模仿、数字以及脉宽调制器接口征求输入信号并输出相应的变量数据。而碰撞信号的仿真则是通过多达六个独立传感器，根据用户定义的碰撞函数，孕育产生基于转速的输出信号。

    NI的PXI平台为该体系提供了完备的硬件模块的选择，同时PXI高级的定时和触发特性包管了汽车信号间同步采样到达微秒级的触发精度。而基于PXI平台的可重复配置I/O模块更是包管了高精度、机动的征求引擎高速传感信号。由于利用了LabVIEW开辟FPGA，可以很方便的变化相应的组合逻辑，并针对差别气缸数量标种种引擎应用差别的软件配置，大大节流了开辟本钱、提拔了性能。同时，利用了LabVIEW仿真接口东西包，可以很快速的将在MathWorks Simulink(r)下开辟的仿真模型整合到LabVIEW的平台中，节流了大量的开辟时间。总之，得益于PXI平台和基于FPGA的可重复配置I/O组件的模块化特性和机动性，MicroNova公司在很短的时间内便开辟出了高性能的ECU硬件在环仿真体系，告成应用于BMW 12缸的最新见解车型的验证。

本文小结

    FPGA技能带来了汽车电子测试技能的创新，依附开辟基于FPGA硬件的单个体系可以办理差别的汽车计划和测试应用，而无需多个定制的测试配置。基于LabVIEW的图形化FPGA编程则进一步收缩了开辟时间。NI CompactRIO和基于PXI的可重复配置I/O模块都是基于FPGA的硬件平台，用户不但可以开辟实用于涉及汽车总线、差别信号范例的车载测试应用，还可用于汽车ECU计划流程中的快速原型验证和硬件在环仿真测试。