使用FPGA技术取代多种载具内测试系统

发布时间:2016/11/9

汽车制造商必须测试车辆的每一个层面。对座位加热器进行温度测试,在严格的试驾途中监视底盘的震动,以及在碰撞测试中测量施加于乘客身上的G力大小,以确保为用户带来安全,以上只不过是汽车制造商完成的不同测试程序的几个例子。可惜的是,执行多种测试相当于要学习及使用多种新的测试设备。National Instruments CompactRIO平台令载具内测试向前迈进一大步。NI CompactRIO是一款坚固、高效能的系统,採用嵌入式FPGA,因此工程师可以自行订定一个单一硬件平台,以面对各种载具内应用的挑战。客制硬件和多部测试系统的必要性
每一种载具内应用都有不同的技术要求,例如取样速率、信号处理、信号调节、信号分析,以及反应时间等等,也因此而导致多种客制载具内测试系统的出现。单单是载具内应用的取样速率就有庞大的范围──从温度记录的20 S/s到撞击测试的200 kS/s皆具(见图一)。

图一

单单是载具内应用的取样速率就有庞大的范围──从温度记录的20 S/s到撞击测试的200 kS/s皆具FPGA技术使CompactRIO有能力满足每一种载具内应用的需求,不需要客制硬件和多部测试系统。工程师可以使用CompactRIO进行低速、准确的温度测量,然后在几分钟之内将系统重新程式化,以满足快速建立原型对于效能和控制的需求。此外,它们可以在同一个系统中执行低速及高速测量,同时执行不同的测试。在CompactRIO推出之前,没有任何一部系统能够满足所有这些应用的需求。

探讨FPGA
FPGA是一个内含可重设组态之闸门阵列逻辑电路矩阵的设备。当工程师设定FPGA的组态时,内部电路便连接,将软件的应用转换为硬件布制。和处理器不同的是,FPGA采用专属硬件来处理逻辑,而且没有作业系统。FPGA技术提供许多优势,包括自订I/O计时和同步化、20 MHz控制迴圈速率、专属硬件的稳定性,以及数字信号处理和分析。

传统上,工程师需要拥有硬件设计工具和VHDL等程式语言的庞大知识,才能设计FPGA的功能。.CompactRIO中的FPGA使用National Instruments LabVIEW图形化开发工具来设计程式,因此工程师可以用很短的时间,自行订定并重设CompactRIO中的FPGA的组态。当系统功能需要改变时,开发人员只需将新的NI LabVIEW程式下载到FPGA,即可改变CompactRIO的特性。FPGA运用于载具内I/O的弹性及效能
CompactRIO提供广泛的I/O模组,用于连接至任何载具内感测器、致动器,以及网路。工程师可以完全自行设定每一项应用的I/O时间、同步作业、处理,以及控制速率。
  I/O 感测器和信号类型 模组 通道 特殊功能温度 热电偶 NI 9211 4 24位元解析度,15 S/s  RTD   NI 9217 4 24位元解析度,100 S/s声音和震动 IEPE感测器(加速计/麦克风) NI 9233 4 24位元解析度,每个通道50 kS/s,同步, IEPE调节,反失真张力 桥接式感测器(应力规,压力传感器) NI 9237 4 24位元解析度,每个通道50 kS/s,同步,全/半桥(full-/half-bridge)电压 ±200 mV至±10 V NI 9205 32 16位元解析度,250 kS/s  ±60 V   NI 9221 8 12位元解析度,800 kS/s燃料电池(Fuel cell) ±200 mV至±10 V NI 9206 32 16位元解析度,250 kS/s, 600 V DC CAT I 隔离CAN通讯 双埠高速CAN介面 NI 9583 2 双埠高速CAN模组

表一:CompactRIO的载具内I/O

取样速率的弹性
由于FPGA直接连接至每一个I/O模组,因此工程师可以设定CompactRIO中每一个模组的取样速率。这项功能为系统提供无与伦比的时间弹性。在一部CompactRIO系统中,工程师可以用10 S/s的速度撷取温度量测,同时以50 kS/s的速度监督震动量测。工程师也可以直接在FPGA上进行资料取捨,在同一个I/O模组中设定不同的通道,采用不同的速率。I/O同步化
FPGA技术应用于载具内资料撷取及测试方面的优点之一,就是能够在任何I/O模组之间获得决定性的硬体同步化。举例来说,NI 9853 CAN介面模组和任何模拟或数字输入模组都可以执行读取动作,以获得毫微秒(nanosecond)解析度的同步测量功能。运用这种同步化功能,测试工程师可以从一部特定的CAN设备(例如电子控制元件ECU或致动器)读取数值,再将数值和来自同步执行的模拟或数字输入埠的资料作比较。

 

40 MHz的决策
对于快速建立原型之类的控制应用而言,FPGA客制硬件的效能会以极快的速度进行密闭迴圈控制。只要使用任一种I/O模组,工程师就可以设定CompactRIO,使它对输入的CAN、模拟或数字资料进行反应,决定速度可以高达40 MHz。过去这一类的应用需要使用高价的客制硬件,才能获得这样的效能。

「过去我们至少要花两年的人力和五十万元,才能使用自行设计的硬体开发出类似的ECU原型建立系统。就这个专案而言,设备的成本(包括机车和CompactRIO)是一万五千元。此外,我们大约花了三个月的人力在这项专案上。CompactRIO和LabVIEW Real-Time提供我们需要的稳定性和精确计时资源,而且系统有足够的坚固性,可以承受操作环境的高温和高震动。」
–Drivven, Inc.总裁Carroll G. Dase

 

感测器层级的信号处理及分析
CompactRIO中的FPGA就像一个平行处理引擎,因此工程师可以对任何感测器信号执行高级信号处理和分析。举例来说,解译转速计信号通常需要大量的处理器运算能力。工程师可以设计FPGA,让它在硬件中解译多种感测器信号,允许网路上的CPU去执行其它的处理作业。此外,工程师也可以使用LabVIEW数字滤波器设计工具组(Digital Filter Design Toolkit),轻松地在FPGA硬件中使用高级数字滤波器。

 

独立操作及网路化操作
CompactRIO控制器内含一颗嵌入式即时处理器,用于智慧型独立运作;包含乙太网路及序列埠,可以连接至主电脑和週边;并且使用LabVIEW Real-Time软体进行决定控制、资料记录,以及分析。此外,你可以将乙太网路埠与内附的网页及档案伺服器结合,这样操作者就可以轻易地取用在控制器上执行的嵌入式程式。由于它具备两个9至35 V(操作时为6至35 V)电源供应输入,因此工程师可以直接用载具电瓶提供CompactRIO电力。控制器内含最多512 MB的非永久存储器,用于载具内资料记录之用。

图二:CompactRIO执行独立或网路化操作,供载具内应用。

轻巧而坚固的封装,适用任何载具内环境
CompactRIO的机械设计创造出一款能够承受任何严苛的载具内测试环境(例如亚利桑那州测试场的干热天候)的系统。CompactRIO保持轻巧的体积、低电力消耗,以及-40至70 oC的作业温度范围,并通过多种工业认证和规章。四个插槽的可重设组态嵌入式系统的体积是179.6 x 88.1 x 88.1公釐(7.07 x 3.47 x 3.47 吋),重量只有1.58公斤(3.47磅)。八个插槽的系统加上32个通道的I/O模组,最多可以在一部系统中提供256个I/O通道。此平台最多可承受50g的撞击,最高2,300 Vrms 隔离(承受力),而且具备国际性的安全性、EMC,以及环境认证。

「CompactRIO平台的轻巧体积和坚固性使它成为载具内测试系统的理想选择,能够在我们的测试过程的严苛环境中生存下来。」
–PACCAR系统工程师 Andrew Leslie

建立客制的载具内I/O
运用CompactRIO系统的开放性,工程师可以迅速开发客制模组,以满足特殊的载具内I/O需求。CompactRIO模组开发工具组提供授权许可、设计指南,以及LabVIEW FPGA软体工具的存取能力,以建立客制模组。协力厂商推出载具内撷取及控制模组,为CompactRIO加入以下功能:
o GPS(全球定位系统)监督 
o GPRS(通用封包广播服务),供无线通信使用 
o GSM(移动通信全球系统),供无线资料交换使用 
o LIN(区域性连接网路)通信
o ARINC-429和MIL-1553航空协定,供飞行间测试 
o 客制直流传动(power-train)模组

「LabVIEW和可重设组态I/O FPGA技术使我们得以迅速开发Gxxx行动模组。最后完成的系统所提供的可靠性,若是没有CompactRIO技术,是不可能达成的。现在客户可以轻松地建立远端操作及监督的移动系统,具备无线通信、计时及全球定位功能。」
- Wolfram Koerver, CEO, S.E.A. Datentechnik GmbH

利用嵌入式FPGA以及通用的程式设计环境,工程师可以使用CompactRIO和LabVIEW来建立任何载具内测试、控制及设计应用程式。FPGA的高速及同步化功能,结合坚固的外形及广泛的I/O模组,使CompactRIO成为载具内应用的理想平台。