1. 引言

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，以確保產品的質量和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，測試項目和要求也越來越多，因而測試系統的可擴展性越來越受關注。新一代汽車電子系統測試技術越來越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，涉及不同的信號類型，比如：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，往往需要不同的測試設備來完成；工程師需要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，比如，確保在汽車碰撞試驗中將傳感器測量數據和圖像數據記錄下來。另外，測試環境比較復雜，比如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。考慮測試空間、預算等因素，廠商也希望能夠用一個集成的高度可靠的測試系統替代這些不同的分立測試設備，可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。

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，工程師可將FPGA技術融入測試系統，解決上述車載測試困難，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相關技術在車載測試中的應用。

2. FPGA技術一個平臺多種應用

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(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)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。下文以車載測試為例進行討論。

不同車載測試的技術指標也不同，包括采樣率、信號調理、處理和分析。比如，采樣率范圍從GPS數據記錄的15Hz到碰撞試驗的200kHz不等。而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。所以，可應用FPGA技術實現單個系統解決所有這些車載測試應用，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，對處理速度要求很高，但算法相對簡單，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使FPGA技術已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)等研究。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，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；MicroNova同樣使用基于具有高可靠性、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。

3. 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開發定制板卡。但工程師在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，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、最快速的開發系統的需求。