FPGA技术在汽车电子中的应用

因为现场可编程门阵列(FPGA)技术具有自定义逻辑功能和高可靠性的特点，所以，工程师已将FPGA技术融入测试系统，解决汽车电子设计与测试的困难，同时满足低成本、系统可扩展性和复杂的测试环境要求。本文将探讨FPGA相关技术在汽车电子中的应用。

FPGA技术的应用领域

FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可编程器件进一步发展的产物，其逻辑功能由内部规则排列的逻辑单元阵列完成。逻辑单元阵列内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线(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技术有很多优势，包括自定义I/O硬件定时和同步、高度可靠性、数字信号处理和分析等。这些优势为快速增长的汽车电子测试技术提供了灵活的低成本解决方案。基于FPGA技术的汽车电子应用主要包括车载数据采集和对电子控制单元(ECU)的硬件在环(HIL)仿真。

1) 车载数据采集

车载数据采集系统(IVDAS)作为最常见的汽车电子测试应用之一，主要用于记录和分析汽车内的多种传感器的信号，同时对测试系统的可靠性、便携性和开发性等具有较高的要求。车载应用涉及的技术指标包括采样率、信号调理、处理和分析等。例如，采样率的范围从GPS数据记录的15Hz到碰撞试验的200kHz不等，由于FPGA可以直接连接到数字和模拟I/O，并可对各通道定义不同的采样率和触发。所以，基于FPGA技术的系统可以同时解决这些车载测试应用，避免定制硬件或多个测试系统的需要。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要求的碰撞试验；也可将不同采样率以并行方式共存于同一个测量应用中，比如，在配置FPGA实现10Hz温度采集的同时进行50kHz的振动测试；并可实现任何I/O之间的同步，比如，实现CAN总线数据和数字或模拟I/O信号间纳秒级的同步测量。没有FPGA技术，则很难实现单个系统同时满足这些不同的车载数据采集的需求。

应用FPGA技术，还可对任何传感器信号进行高级信号处理和分析。在很多信号处理系统中，底层的信号预处理算法要处理大量的数据，对处理速度要求很高，但算法相对简单，便可用FPGA进行编程实现。此外，可很方便地在FPGA上实现对所采集的信号作数字滤波运算、快速傅立叶变换(FFT)、加窗等多种信号处理和分析。传感器级信号处理和分析功能将使FPGA技术更适合于车载数据采集的应用。

2) ECU的硬件在环仿真

硬件在环仿真作为设计流程中重要的组成部分，是对虚拟运行环境中的设备进行非常逼真的实际I/O的模拟。其最显著的优点是可以对实际情况进行模拟，而不会产生实际危险。您可以在真实世界中不能实现的极端条件下对控制装置进行测试－在理论上汽车可以达到的最高行驶速度下进行测试。功能强大的高逼真度硬件在环实时仿真不仅通过缩短开发周期加快了产品上市时间，还由于测试期间无需使用实际硬件而降低了设备成本以及相关的维护成本。ECU是用于汽车发动机和传动系控制的电子装置，它接收传动速度、曲轴和凸轮轴速度以及油门位置等信号，对此信息进行处理后，以产生用于控制发动机的信号和传动系参数。作为汽车最核心的部件之一，ECU设计中任何一个微小的差错都会导致车毁人亡。这使得硬件在环仿真成为了在最终运用之前对ECU进行测试的标准方法。

一个典型的硬件在环系统(见图1)包括用于引擎模型仿真的控制器，该控制器运行在实时环境下并仿真引擎上的各种动态特性；I/O模块用来接收ECU的输出信号并将经过引擎仿真后的信号反馈给ECU，使用FPGA技术可以创建自定义的I/O来满足仿真条件下对各种信号的需求，例如用于爆震、火花、发动机位置传感器，燃油喷射器以及歧管压力的同步信号，和开关、温度、脚踏板、油门和汽车行驶速度等异步信号；此外还包括测试数据的记录和测试步骤等。为了构成一个完整的系统，还需要一台主机运行操作界面，并配合相应的测试管理软件和后续数据分析软件。

图1 一个典型的硬件在环系统的构成 由于硬件在环测试往往要求系统在极高的速度下运行，多个输入/输出设备之间的精确定时和同步就显得极为重要。例如，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，并确保控制器在适当的时间和正确的电流下打开和关闭燃油喷射器。与传统的定制系统相比，基于FPGA技术的系统在实现精确且同步的波形生成和获取方面具有明显的优点，它可以实现多个I/O在高速下进行同步，并快速完成信号数据与输入