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-- 發(fā)布時(shí)間：2010-11-12 14:30:48
-- FPGA技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)技術(shù)具有自定義邏輯功能和高可靠性特點(diǎn)，，工程師已將FPGA技術(shù)融入測(cè)試系統(tǒng)，解決汽車電子設(shè)計(jì)與測(cè)試?yán)щy，同時(shí)滿足低成本、系統(tǒng)可擴(kuò)展性和復(fù)雜測(cè)試環(huán)境要求。本文將探討FPGA相關(guān)技術(shù)汽車電子中應(yīng)用。
FPGA技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域
FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可編程器件進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)物，其邏輯功能由內(nèi)部規(guī)則排列邏輯單元陣列完成。邏輯單元陣列內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線(Interconnect)三個(gè)部分。工程師可軟件編程實(shí)現(xiàn)FPGA內(nèi)部邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)自定義邏輯。
FPGA技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，包括自定義I/O硬件定時(shí)和同步、高度可靠性、數(shù)字信號(hào)處理和分析等。這些優(yōu)勢(shì)為快速增長(zhǎng)汽車電子測(cè)試技術(shù)提供了靈活低成本解決方案。基于FPGA技術(shù)汽車電子應(yīng)用主要包括車載數(shù)據(jù)采集和對(duì)電子控制單元(ECU)硬件環(huán)(HIL)仿真。
1) 車載數(shù)據(jù)采集
車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(IVDAS)作為最常見汽車電子測(cè)試應(yīng)用之一，主要用于記錄和分析汽車內(nèi)多種傳感器信號(hào)，同時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)可靠性、便攜性和開發(fā)性等具有較高要求。車載應(yīng)用涉及技術(shù)指標(biāo)包括采樣率、信號(hào)調(diào)理、處理和分析等。例如，采樣率范圍從GPS數(shù)據(jù)記錄15Hz到碰撞試驗(yàn)200kHz不等，F(xiàn)PGA可以直接連接到數(shù)字和模擬I/O，并可對(duì)各通道定義不同采樣率和觸發(fā)。，基于FPGA技術(shù)系統(tǒng)可以同時(shí)解決這些車載測(cè)試應(yīng)用，避免定制硬件或多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)需要。即單個(gè)FPGA平臺(tái)既可用于低速、高精度GPS或溫度記錄；又可快速編程實(shí)現(xiàn)用于有高采樣率要求碰撞試驗(yàn)；也可將不同采樣率以并行方式共存于同一個(gè)測(cè)量應(yīng)用中，比如，配置FPGA實(shí)現(xiàn)10Hz溫度采集同時(shí)進(jìn)行50kHz振動(dòng)測(cè)試；并可實(shí)現(xiàn)任何I/O之間同步，比如，實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)和數(shù)字或模擬I/O信號(hào)間納秒級(jí)同步測(cè)量。沒有FPGA技術(shù)，則很難實(shí)現(xiàn)單個(gè)系統(tǒng)同時(shí)滿足這些不同車載數(shù)據(jù)采集需求。
應(yīng)用FPGA技術(shù)，還可對(duì)任何傳感器信號(hào)進(jìn)行高級(jí)信號(hào)處理和分析。很多信號(hào)處理系統(tǒng)中，底層信號(hào)預(yù)處理算法要處理大量數(shù)據(jù)，對(duì)處理速度要求很高，但算法相對(duì)簡(jiǎn)單，便可用FPGA進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。此外，可很方便FPGA上實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集信號(hào)作數(shù)字濾波運(yùn)算、快速傅立葉變換(FFT)、加窗等多種信號(hào)處理和分析。傳感器級(jí)信號(hào)處理和分析功能將使FPGA技術(shù)更適合于車載數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
2) ECU硬件環(huán)仿真
硬件環(huán)仿真作為設(shè)計(jì)流程中重要組成部分，是對(duì)虛擬運(yùn)行環(huán)境中設(shè)備進(jìn)行非常逼真實(shí)際I/O模擬。其最顯著優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，而不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際危險(xiǎn)。您可以真實(shí)世界中不能實(shí)現(xiàn)極端條件下對(duì)控制裝置進(jìn)行測(cè)試－理論上汽車可以達(dá)到最高行駛速度下進(jìn)行測(cè)試。功能強(qiáng)大高逼真度硬件環(huán)實(shí)時(shí)仿真縮短開發(fā)周期加快了產(chǎn)品上市時(shí)間，還測(cè)試期間無需使用實(shí)際硬件而降低了設(shè)備成本以及相關(guān)維護(hù)成本。ECU是用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系控制電子裝置，它接收傳動(dòng)速度、曲軸和凸輪軸速度以及油門位置等信號(hào)，對(duì)此信息進(jìn)行處理后，以產(chǎn)生用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)和傳動(dòng)系參數(shù)。作為汽車最核心部件之一，ECU設(shè)計(jì)中任何一個(gè)微小差錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致車毀人亡。這使硬件環(huán)仿真成最終運(yùn)用之前對(duì)ECU進(jìn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法。
一個(gè)典型硬件環(huán)系統(tǒng)(見圖1)包括用于引擎模型仿真控制器，該控制器運(yùn)行實(shí)時(shí)環(huán)境下并仿真引擎上各種動(dòng)態(tài)特性；I/O模塊用來接收ECU輸出信號(hào)并將引擎仿真后信號(hào)反饋給ECU，使用FPGA技術(shù)可以創(chuàng)建自定義I/O來滿足仿真條件下對(duì)各種信號(hào)需求，例如用于爆震、火花、發(fā)動(dòng)機(jī)位置傳感器，燃油噴射器以及歧管壓力同步信號(hào)，和開關(guān)、溫度、腳踏板、油門和汽車行駛速度等異步信號(hào)；此外還包括測(cè)試數(shù)據(jù)記錄和測(cè)試步驟等。構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)，還需要一臺(tái)主機(jī)運(yùn)行操作界面，并配合相應(yīng)測(cè)試管理軟件和后續(xù)數(shù)據(jù)分析軟件。
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硬件環(huán)測(cè)試往往要求系統(tǒng)極高速度下運(yùn)行，多個(gè)輸入/輸出設(shè)備之間精確定時(shí)和同步就顯極為重要。例如，您可以FPGAI/O向控制器輸出一個(gè)可變磁阻傳感器信號(hào)，并確保控制器適當(dāng)時(shí)間和正確電流下打開和關(guān)閉燃油噴射器。與傳統(tǒng)定制系統(tǒng)相比，基于FPGA技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確且同步波形生成和獲取方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)I/O高速下進(jìn)行同步，并快速完成信號(hào)數(shù)據(jù)與輸入/輸出信息間轉(zhuǎn)換。
實(shí)現(xiàn)對(duì)ECU硬件環(huán)仿真，F(xiàn)PGA還可應(yīng)用于對(duì)ECU快速原型設(shè)計(jì)中，從硬件層面驗(yàn)證控制算法和模型效果，同時(shí)FPGA并行性允許將多個(gè)快速控制循環(huán)集成同一個(gè)系統(tǒng)中。例如，Drivven公司應(yīng)用FPGA可重復(fù)配置性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Yamaha YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)，而避免了設(shè)計(jì)過程中購買多個(gè)定制硬件需要，降低了成本。
圖形化FPGA編程
FPGA技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可自定義邏輯、高可靠性等，可廣泛應(yīng)用于車載測(cè)試和ECU設(shè)計(jì)流程中。但工程師對(duì)FPGA進(jìn)行編程時(shí)，往往需要掌握硬件設(shè)計(jì)語言如VHDL之類知識(shí)。而圖形化開發(fā)工具，比如National Instruments (NI)高效圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW，則是專為需要建立靈活可擴(kuò)展性測(cè)試測(cè)量和控制應(yīng)用系統(tǒng)工程師和科學(xué)家設(shè)計(jì)，以滿足他們以最小成本、最快速度開發(fā)系統(tǒng)需求。
LabVIEW直觀圖形化開發(fā)特性，可使工程師把更多精力集中功能開發(fā)上，而代碼撰寫上，進(jìn)而大幅縮短開發(fā)時(shí)間和成本。LabVIEW又是一個(gè)開放性軟件平臺(tái)，一些特定應(yīng)用，提供多種工具包和模塊來提升和加速系統(tǒng)開發(fā)。比如，LabVIEW FPGA模塊，工程師就無須硬件描述語言和硬件設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，便可WINDOWS操作系統(tǒng)上，圖形化開發(fā)自定義FPGA邏輯代碼并下載到FPGA硬件目標(biāo)，來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建自定義硬件。如圖2所示，使用LabVIEW FPGA實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)和數(shù)字或模擬信號(hào)間納秒級(jí)同步測(cè)量。當(dāng)測(cè)試要求改變時(shí)，可下載新代碼到FPGA，而無需新定制硬件。同時(shí)，提供VHDL語言接口，為方便工程師直接使用現(xiàn)成VHDL代碼。LabVIEW Real-Time模塊則用于針對(duì)實(shí)時(shí)硬件目標(biāo)開發(fā)時(shí)間確定性應(yīng)用程序。此外，LabVIEW附加仿真接口工具包實(shí)現(xiàn)了LabVIEW和MathWorks Simulink(r) 軟件(運(yùn)用該軟件您可以將您算法模型從Simulink(r)導(dǎo)入LabVIEW中)之間無縫連接。總之，圖形化開發(fā)軟件LabVIEW將極大提高工程師工作效率。
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使用LabVIEW FPGA軟件和可重復(fù)配置硬件技術(shù)，可創(chuàng)建高性能控制和采集系統(tǒng)。下面舉兩個(gè)例子，有關(guān)基于FPGA技術(shù)硬件平臺(tái)汽車電子中應(yīng)用。
用戶解決方案1：便攜式車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
車載數(shù)據(jù)采集信號(hào)類型包括溫度信號(hào)(熱電偶、RTD)、聲音和振動(dòng)信號(hào)(帶IEPE激勵(lì)加速度傳感器或麥克風(fēng))、壓力和載荷信號(hào)(應(yīng)變計(jì)或稱重傳感器)、位置信號(hào)(LVDT或線性電位計(jì))、速度信號(hào)(編碼器)、控制總線信號(hào)(CAN,J1350,ODBII)，以及視頻信號(hào)等。這些信號(hào)都是用于汽車性能評(píng)價(jià)。
德國Goepel Electronic公司面臨上述信號(hào)類型、環(huán)境條件復(fù)雜、有大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，用于車載測(cè)試分析和線診斷便攜式測(cè)試設(shè)備時(shí)，選擇了NI CompactRIO嵌入式控制系統(tǒng)，LabVIEW FPGA模塊和LabVIEW Real-Time模塊。很短時(shí)間內(nèi)開發(fā)了CARLOS (in-car logging system)，加上CompactRIO平臺(tái)低成本解決方案，大大節(jié)省了預(yù)算。
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CompactRIO硬件平臺(tái)(見圖3)是一個(gè)基于FPGA技術(shù)嵌入式系統(tǒng)。FPGA芯片是CompactRIO體系結(jié)構(gòu)核心，直接和相應(yīng)車載模塊相連。車載模塊可直接和車用傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，并提供信號(hào)調(diào)理、隔離和汽車總線。該平臺(tái)包含一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)處理器，可用于獨(dú)立工作、確定性控制、車載數(shù)據(jù)記錄和分析等。CompactRIO具有小型、堅(jiān)固機(jī)械封裝、可承受50g沖擊和-40℃到70℃工作溫度范圍等特點(diǎn)，提供雙電壓輸入(9-35V)，可直接從車上電池取電。這些都使CARLOS適用于復(fù)雜車載測(cè)試環(huán)境和有限測(cè)試空間。
該系統(tǒng)已成功用于實(shí)驗(yàn)室、風(fēng)洞和試驗(yàn)場(chǎng)上汽車測(cè)試，可長(zhǎng)時(shí)間記錄數(shù)據(jù)。另外，可選擇相應(yīng)車載模塊和內(nèi)置應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試需求。比如實(shí)現(xiàn)冬季或夏季試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)，只需選擇溫度等信號(hào)對(duì)應(yīng)車載模塊和已開發(fā)好LabVIEW應(yīng)用程序即可；同時(shí)，該程序提供報(bào)警、用LabVIEW報(bào)告生成工具包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入EXCEL表格、或直接寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)查看等功能。此外，基于FPGACompcatRIO開放試架構(gòu)允許用戶擴(kuò)展系統(tǒng)或進(jìn)一步開發(fā)自定義測(cè)試系統(tǒng)。
用戶解決方案2：用于BMW V12汽油發(fā)動(dòng)機(jī)硬件環(huán)仿真
MicroNova公司基于NI LabVIEW FPGA模塊和NI PXI-7831R可重復(fù)配置I/O模塊上，開發(fā)了一種全新、靈活可編程引擎硬件環(huán)仿真系統(tǒng)(見圖4)，該系統(tǒng)能夠直接對(duì)BMW 12缸概念車汽油噴射器進(jìn)行仿真，這是世界上第一種能夠?qū)@種情況進(jìn)行仿真系統(tǒng)。
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該引擎硬件環(huán)仿真系統(tǒng)可以與曲軸角度同步記錄所有汽油噴射時(shí)間和點(diǎn)火角度，并將這些數(shù)據(jù)提供給控制器作為仿真輸入。同時(shí)模擬、數(shù)字以及脈寬調(diào)制器接口采集輸入信號(hào)并輸出相應(yīng)變量數(shù)據(jù)。而碰撞信號(hào)仿真則是多達(dá)六個(gè)獨(dú)立傳感器，用戶定義碰撞函數(shù)，產(chǎn)生基于轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)。
NIPXI平臺(tái)為該系統(tǒng)提供了完整硬件模塊選擇，同時(shí)PXI高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)特性保證了汽車信號(hào)間同步采樣達(dá)到微秒級(jí)觸發(fā)精度。而基于PXI平臺(tái)可重復(fù)配置I/O模塊更是保證了高精度、靈活采集引擎高速傳感信號(hào)。使用了LabVIEW開發(fā)FPGA，可以很方便改變相應(yīng)組合邏輯，并針對(duì)不同氣缸數(shù)目各種引擎應(yīng)用不同軟件配置，大大節(jié)省了開發(fā)成本、提升了性能。同時(shí)，使用了LabVIEW仿真接口工具包，可以很快速將MathWorks Simulink(r)下開發(fā)仿真模型整合到LabVIEW平臺(tái)中，節(jié)省了大量開發(fā)時(shí)間。總之，益于PXI平臺(tái)和基于FPGA可重復(fù)配置I/O組件模塊化特性和靈活性，MicroNova公司很短時(shí)間內(nèi)便開發(fā)出了高性能ECU硬件環(huán)仿真系統(tǒng)，成功應(yīng)用于BMW 12缸最新概念車型驗(yàn)證。
本文小結(jié)
FPGA技術(shù)帶來了汽車電子測(cè)試技術(shù)創(chuàng)新，憑借開發(fā)基于FPGA硬件單個(gè)系統(tǒng)可以解同汽車設(shè)計(jì)和測(cè)試應(yīng)用，而無需多個(gè)定制測(cè)試設(shè)備。基于LabVIEW圖形化FPGA編程則進(jìn)一步縮短了開發(fā)時(shí)間。NI CompactRIO和基于PXI可重復(fù)配置I/O模塊都是基于FPGA硬件平臺(tái)，用戶可以開發(fā)適用于涉及汽車總線、不同信號(hào)類型車載測(cè)試應(yīng)用，還可用于汽車ECU設(shè)計(jì)流程中快速原型驗(yàn)證和硬件環(huán)仿真測(cè)試
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