汽車在出廠前，從研發設計到整車下線都要經過嚴格的檢測，以確保產品的品質以及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，測試專案和要求也越來越多，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於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，涉及不同的訊號類型，例如透過多測點的溫度測量來檢驗空調系統的功效、透過監控控制區域網路(CAN)以保證各控制單元或設備間正常通訊、透過加速度測量來驗證平順性等。這些不同性質的測試，往往需要不同的測試設備來完成，而且工程師必須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，例如確保在汽車碰撞試驗中將感測器測量資料和圖像資料記錄下來。另外，測試環境比較複雜，如燃料電池測試中的電池堆共模電壓可能超過仟伏特(kV)，需要有良好的對地隔離性能。而考慮測試空間、預算等因素，廠商也希望能夠用一個整合了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。
因為現場可編程閘陣列(FPGA)技術具有自訂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、系統可擴展性和複雜的測試環境要求。
FPGA實現一個平台多種應用
FPGA是可編程陣列邏輯(PAL)、閘陣列邏輯(GAL)、可編程邏輯元件(PLD)等可程式設計元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組(Configurable Logic Block)、輸入輸出模組(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。工程師可透過軟體程式設計實現FPGA內部的邏輯模組和輸入/輸出(I/O)模組的重新配置，以實現自訂的邏輯。
FPGA技術有很多優勢，包括自訂I/O硬體定時與同步、高度可靠性、數位訊號處理和分析等。這些優勢為快速增長的汽車電子測試技術提供靈活的低成本解決方案。
不同車載測試的技術指標也不同，包括取樣速率、訊號調理、處理和分析。例如，取樣速率範圍從全球衛星定位系統(GPS)資料記錄的15Hz到碰撞試驗的200kHz不等。而FPGA直接連接到數位和類比I/O，可對各通道定義不同的取樣速率和觸發。所以，可應用FPGA技術實現單一系統解決所有這些車載測試應用，避免定制硬體或多個測試系統的需要。
也就是說，單一FPGA平台既可用於低速、高精度GPS或溫度記錄，又能透過快速程式設計實現用於有高取樣速率要求的碰撞試驗。也可以將不同取樣速率以並行方式共存於同一個測量應用中，例如在配置FPGA實現10Hz溫度採集的同時進行50kHz的振動測試。此外，還能夠實現任何I/O間的同步，例如實現CAN匯流排資料和數位或類比I/O訊號間納秒級的同步測量。
應用FPGA技術，可對任何感測器訊號進行高級訊號處理和分析。在很多訊號處理系統中，底層的訊號預處理演算法須處理大量的資料，對處理速度要求很高，但演算法相對簡單，可用FPGA進行程式設計實現。此外，可以很方便地在FPGA上實現對所採集的訊號作數位濾波運算、快速傅立葉轉換(FFT)、加窗等多種訊號處理和分析。感測器級訊號處理和分析功能，讓FPGA技術已成功應用於高速資料獲取處理卡和高速圖像採集處理卡的研發。
除此之外，利用FPGA可自訂邏輯功能開發定制板卡，用於發動機控制單元(ECU)的快速原型設計和硬體在環模擬(HIL)等研究。FPGA可實現硬體層面極快的閉環控制迴圈速率。透過FPGA程式設計對CAN、類比或數位的訊號輸入做出快速回應，同時FPGA的並行性允許將多個快速控制迴圈集成在同一系統中。
例如，Drivven公司應用FPGA的可重複配置性能，實現山葉(Yamaha)YZF-R6發動機控制系統的原型設計，而避免在設計過程中購買多個定制硬體的需要，從而降低成本。
圖形化FPGA縮短開發時程
FPGA技術有很多優點，例如可自訂邏輯、高可靠性等，可廣泛應用於車載測試和開發定制板卡。但工程師在FPGA程式設計時，往往須要掌握硬體設計語言如VHDL之類的知識。而圖形化開發工具LabVIEW則是專為須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所設計，滿足以最小的成本、最快速的開發系統的需求。
LabVIEW也是一個開放性的軟體平台，對於一些特定的應用，提供多種工具包和模組來提升和加速系統開發。
如圖1所示在FPGA上實現CAN資料和數位或類比訊號間納秒級的同步測量。當測試要求改變時，可透過下載新的程式碼到FPGA，而無需新的定制硬體。同時，提供VHDL語言介面，方便工程師直接使用現成的VHDL程式碼。
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| 圖1 LabVIEW可實現FPGA圖形化程式設計 |
LabVIEW Real-Time模組用於針對即時硬體目標開發時間確定性的應用程式；嵌入式開發系統模組適用於任何32位元處理器的圖形化開發。而數位訊號處理器(DSP)模組適用於圖形化DSP演算法開發，整合成數位濾波器設計工具包；訊號處理工具包則適用於測試資料的高精度頻譜分析和顯示。
使用LabVIEW FPGA軟體與可重複配置硬體技術，可建立高性能的控制和採集系統。以下舉兩個例子說明基於FPGA技術的硬體平台在車載測試中的應用。
開發可攜式車載測試設備
車載資料獲取的訊號類型包括溫度訊號(熱電偶、RTD)、聲音和振動訊號(帶IEPE激勵的加速度感測器或麥克風)、壓力和載荷訊號(應變計或稱重感測器)、位置訊號(LVDT或線性電位計)、速度訊號(編碼器)、控制匯流排訊號(CAN、 J1350、ODBII)，以及視訊訊號等。這些訊號都是用於汽車性能的評價。
德國Goepel Electronic在面臨上述訊號類型、環境條件複雜、有大量資料存儲要求，用於車載測試分析和線上診斷的可攜式測試設備時，選用CompactRIO嵌入式控制系統、LabVIEW FPGA模組和LabVIEW Real-Time模組。在短時間開發出CARLOS(In-car Logging System)，加上CompactRIO平台的低成本解決方案，從而節省預算。
CompactRIO硬體平台是一個基於FPGA技術的嵌入式系統。FPGA晶片是CompactRIO體系結構的核心，直接和相應的車載模組相連。車載模組可直接和車用感測器、執行器和網路相聯，並提供訊號調理、隔離和汽車匯流排。該平台包含一個嵌入式即時處理器，可用於獨立工作、確定性控制、車載資料記錄和分析等。CompactRIO具有小型、堅固的機械封裝、可承受50g衝擊和-40∼70℃工作溫度範圍等特點，提供雙電壓輸入(9∼35伏特)，可直接從車上電池取電。這些都使CARLOS適用於複雜的車載測試環境和有限的測試空間。
該系統已成功用於實驗室、風洞和試驗場上的汽車測試，可長時間記錄資料。另外，可透過選擇相應的車載模組和內置的應用程式，實現不同測試的需求。例如為實現冬季或夏季試驗中發動機熱管理系統的評價，只須選擇溫度等訊號對應的車載模組和已開發好的LabVIEW應用程式即可。同時，該程式提供報警、用LabVIEW報告產生工具包實現資料寫入Excel表格或直接寫進資料庫、歷史資料查看等功能。此外，基於FPGA的CompactRIO開放試架構也允許使用者擴展系統。
加快自訂遠端模組開發
無線通訊技術已廣泛應用於汽車在行進中實現監控狀態、精確定位或遠端通訊，包括GPS導航和精確定位、胎壓監測等；其中，GPS在日本和歐美汽車上安裝的普及率逐年上升，在國內也越來越受關注。
德國S.E.A. Datentechnik GmbH車載無線通訊測試選擇基於FPGA技術的CompactRIO開放式硬體平台和LabVIEW開發環境。根據車載遠端控制、資料獲取、位置跟蹤等應用需求開發出cRIO GPRS、cRIO GPS、cRIO RCC(Radio Controlled Clock)和一個混合模組cRIO Gxxx。最終，整個專案的開發時間比原計畫提前40%。
GPS模組透過接收L1波段的GPS訊號實現精確的定位。接收器可在啟動後將資料轉換成NMEA 0183格式，以便進一步分析。備分電池能夠保證接收器的記憶功能，儲存以前的資訊，例如位置資料等。該模組可用於汽車導航、精確定位。整體封包無線電服務(GPRS)模組透過全球行動通訊系統(GSM)/GPRS公共網路進行測量資料和事件訊息傳輸，同時使用用戶識別模組(SIM)卡讀卡器連接GSM/GPRS網路，以簡訊方式收發資料，可應用汽車防盜系統。RCC模組用於分散式系統的時間同步，混合模組則整合以上功能。在車載應用時，CompactRIO嵌入式系統的高度可靠性得以充分展現。
這些模組除用於車載測試外，還可廣泛應用於自動提款機(ATM)、工業和醫療遠端系統、遠端診斷等。
解決不同車載測試難題
FPGA技術帶來車載測試技術的創新，憑藉開發基於FPGA硬體的單一系統可以解決不同的車載測試應用，而無需多個定制的測試設備。透過圖形化FPGA程式設計與CompactRIO基於FPGA的硬體平台，使用者可以開發適用於涉及汽車匯流排、不同訊號類型的車載測試應用，甚至能夠自行定制開發模組實現特定的車載測試功能。
(本文作者任職於美商國家儀器)