-- 作者：wangxinxin
-- 發布時間：2010-11-12 15:42:24
-- 使用FPGA技術取代多種載具內測試系統
探討FPGA
FPGA是一個內含可重設組態之閘門陣列邏輯電路矩陣的設備。當工程師設定FPGA的組態時，內部電路便連接，將軟件的應用轉換為硬件布制。和處理器不同的是，FPGA采用專屬硬件來處理邏輯，而且沒有作業系統。FPGA技術提供許多優勢，包括自訂I/O計時和同步化、20 MHz控制迴圈速率、專屬硬件的穩定性，以及數字信號處理和分析。
傳統上，工程師需要擁有硬件設計工具和VHDL等程式語言的龐大知識，才能設計FPGA的功能。.CompactRIO中的FPGA使用National Instruments LabVIEW圖形化開發工具來設計程式，因此工程師可以用很短的時間，自行訂定并重設CompactRIO中的FPGA的組態。當系統功能需要改變時，開發人員只需將新的NI LabVIEW程式下載到FPGA，即可改變CompactRIO的特性。
FPGA運用于載具內I/O的彈性及效能
CompactRIO提供廣泛的I/O模組，用于連接至任何載具內感測器、致動器，以及網路。工程師可以完全自行設定每一項應用的I/O時間、同步作業、處理，以及控制速率。
I/O 感測器和信號類型 模組 通道 特殊功能
溫度 熱電偶 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
聲音和震動 IEPE感測器（加速計／麥克風） NI 9233 4 24位元解析度，每個通道50 kS/s，同步， IEPE調節，反失真
張力 橋接式感測器（應力規，壓力傳感器） NI 9237 4 24位元解析度，每個通道50 kS/s，同步，全／半橋(full-/half-bridge)
電壓 ±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
燃料電池(Fuel cell) ±200 mV至±10 V NI 9206 32 16位元解析度，250 kS/s, 600 V DC CAT I 隔離
CAN通訊 雙埠高速CAN介面 NI 9583 2 雙埠高速CAN模組
表一：CompactRIO的載具內I/O
取樣速率的彈性
由于FPGA直接連接至每一個I/O模組，因此工程師可以設定CompactRIO中每一個模組的取樣速率。這項功能為系統提供無與倫比的時間彈性。在一部CompactRIO系統中，工程師可以用10 S/s的速度擷取溫度量測，同時以50 kS/s的速度監督震動量測。工程師也可以直接在FPGA上進行資料取捨，在同一個I/O模組中設定不同的通道，采用不同的速率。
I/O同步化
FPGA技術應用于載具內資料擷取及測試方面的優點之一，就是能夠在任何I/O模組之間獲得決定性的硬體同步化。舉例來說，NI 9853 CAN介面模組和任何模擬或數字輸入模組都可以執行讀取動作，以獲得毫微秒(nanosecond)解析度的同步測量功能。運用這種同步化功能，測試工程師可以從一部特定的CAN設備（例如電子控制元件ECU或致動器）讀取數值，再將數值和來自同步執行的模擬或數字輸入埠的資料作比較。
40 MHz的決策
對于快速建立原型之類的控制應用而言，FPGA客制硬件的效能會以極快的速度進行密閉迴圈控制。只要使用任一種I/O模組，工程師就可以設定CompactRIO，使它對輸入的CAN、模擬或數字資料進行反應，決定速度可以高達40 MHz。過去這一類的應用需要使用高價的客制硬件，才能獲得這樣的效能。
「過去我們至少要花兩年的人力和五十萬元，才能使用自行設計的硬體開發出類似的ECU原型建立系統。就這個專案而言，設備的成本（包括機車和CompactRIO）是一萬五千元。此外，我們大約花了三個月的人力在這項專案上。CompactRIO和LabVIEW Real-Time提供我們需要的穩定性和精確計時資源，而且系統有足夠的堅固性，可以承受操作環境的高溫和高震動。」
–Drivven, Inc.總裁Carroll G. Dase
感測器層級的信號處理及分析
CompactRIO中的FPGA就像一個平行處理引擎，因此工程師可以對任何感測器信號執行高級信號處理和分析。舉例來說，解譯轉速計信號通常需要大量的處理器運算能力。工程師可以設計FPGA，讓它在硬件中解譯多種感測器信號，允許網路上的CPU去執行其它的處理作業。此外，工程師也可以使用LabVIEW數字濾波器設計工具組(Digital Filter Design Toolkit)，輕松地在FPGA硬件中使用高級數字濾波器。
獨立操作及網路化操作
CompactRIO控制器內含一顆嵌入式即時處理器，用于智慧型獨立運作；包含乙太網路及序列埠，可以連接至主電腦和週邊；并且使用LabVIEW Real-Time軟體進行決定控制、資料記錄，以及分析。此外，你可以將乙太網路埠與內附的網頁及檔案伺服器結合，這樣操作者就可以輕易地取用在控制器上執行的嵌入式程式。由于它具備兩個9至35 V（操作時為6至35 V）電源供應輸入，因此工程師可以直接用載具電瓶提供CompactRIO電力�？刂破鲀群疃�512 MB的非永久存儲器，用于載具內資料記錄之用。
圖二：CompactRIO執行獨立或網路化操作，供載具內應用。
輕巧而堅固的封裝，適用任何載具內環境
CompactRIO的機械設計創造出一款能夠承受任何嚴苛的載具內測試環境（例如亞利桑那州測試場的干熱天候）的系統。CompactRIO保持輕巧的體積、低電力消耗，以及-40至70 oC的作業溫度范圍，并通過多種工業認證和規章。四個插槽的可重設組態嵌入式系統的體積是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）。八個插槽的系統加上32個通道的I/O模組，最多可以在一部系統中提供256個I/O通道。此平臺最多可承受50g的撞擊，最高2,300 Vrms 隔離（承受力），而且具備國際性的安全性、EMC，以及環境認證。
「CompactRIO平臺的輕巧體積和堅固性使它成為載具內測試系統的理想選擇，能夠在我們的測試過程的嚴苛環境中生存下來�！�
–PACCAR系統工程師 Andrew Leslie
建立客制的載具內I/O
運用CompactRIO系統的開放性，工程師可以迅速開發客制模組，以滿足特殊的載具內I/O需求。CompactRIO模組開發工具組提供授權許可、設計指南，以及LabVIEW FPGA軟體工具的存取能力，以建立客制模組。協力廠商推出載具內擷取及控制模組，為CompactRIO加入以下功能：
o GPS（全球定位系統）監督
o GPRS（通用封包廣播服務），供無線通信使用
o GSM（移動通信全球系統），供無線資料交換使用
o LIN（區域性連接網路）通信
o ARINC-429和MIL-1553航空協定，供飛行間測試
o 客制直流傳動(power-train)模組
「LabVIEW和可重設組態I/O FPGA技術使我們得以迅速開發Gxxx行動模組。最后完成的系統所提供的可靠性，若是沒有CompactRIO技術，是不可能達成的�，F在客戶可以輕松地建立遠端操作及監督的移動系統，具備無線通信、計時及全球定位功能。」
- Wolfram Koerver, CEO, S.E.A. Datentechnik GmbH
利用嵌入式FPGA以及通用的程式設計環境，工程師可以使用CompactRIO和LabVIEW來建立任何載具內測試、控制及設計應用程式。FPGA的高速及同步化功能，結合堅固的外形及廣泛的I/O模組，使CompactRIO成為載具內應用的理想平臺。
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