FPGA在自定義測試中的四種應(yīng)用
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而對于絕大多數(shù)測試與驗(yàn)證工程師來說，硬件自定義并非易事。幸運(yùn)的是，測試工程師也可以從摩爾定律中獲益。摩爾定律使CPU頻率得到不斷提高，從而使自定義測試系統(tǒng)的計算吞吐量也可不斷提升；另一方面，摩爾定律也正在推動另一種計算器件—現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的發(fā)展。FPGA本質(zhì)上是一種特殊的數(shù)字電路，用戶可以通過軟件編程的方式重新配置其硬件邏輯。FPGA不僅可以幫助工程師縮短測試時間，而且可以實(shí)現(xiàn)一些過去只能通過自定義硬件來實(shí)現(xiàn)的測試功能。下文就將介紹FPGA在測試系統(tǒng)中的四種典型應(yīng)用。
執(zhí)行實(shí)時連續(xù)的測量
FPGA可以通過專享的硬件資源進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)較高的吞吐率，可以比通過I/O硬件先獲取數(shù)據(jù)再通過軟件執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的速率更快。結(jié)合FPGA技術(shù)的測試系統(tǒng)，不是按照傳統(tǒng)意義上的“采集、數(shù)據(jù)傳輸、后處理”模式，而是可以直接在I/O采集之后就直接在FPGA硬件上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，這種系統(tǒng)可以連續(xù)地測試被測設(shè)備，從而縮短測試時間。
通過FPGA上的專用硬件資源可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量，如快速傅里葉變換(FFT)等?；贔PGA硬件本身所具有并行執(zhí)行特性，可以對多個輸入通道同時進(jìn)行測量，或者對單通道同時進(jìn)行多種計算參數(shù)的測量。
圖1：使用FPGA硬件生成測試向量，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時連續(xù)分析
自定義觸發(fā)和采集
使用FPGA可以進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時信號處理或數(shù)據(jù)計算，從而可以添加自定義觸發(fā)和數(shù)據(jù)記錄功能，從而有選擇地傳遞所需的數(shù)據(jù)。相對于只能執(zhí)行一組固定操作的傳統(tǒng)儀器，帶有FPGA儀器的可重置特性可以滿足特定的硬件應(yīng)用需求。
例如，頻域觸發(fā)應(yīng)用就體現(xiàn)了FPGA可重置特性的優(yōu)勢。有些傳統(tǒng)頻譜分析儀可以使用頻率觸發(fā)功能，但不能實(shí)時進(jìn)行。另一方面，矢量信號分析儀(VSA)可進(jìn)行實(shí)時功率觸發(fā)，但不能實(shí)時地選擇感興趣的頻率信號。通過將FPGA技術(shù)添加到矢量信號分析儀中，您可以創(chuàng)建一個實(shí)時的、頻率相關(guān)的觸發(fā)功能，或者可以根據(jù)需要執(zhí)行其他自定義的觸發(fā)操作。
自定義協(xié)議接口
FPGA可以直接在硬件上對數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，而無需使用軟件將信號信息編碼成協(xié)議信號(或?qū)f(xié)議信號解碼成信號信息)。這樣就可以幫助簡化測試系統(tǒng)軟件，因?yàn)橄到y(tǒng)軟件只需要處理信號信息，使得協(xié)議級通信變得可行。而在過去，在只有預(yù)定義測試向量的情況下，是不適合通過軟件進(jìn)行帶有協(xié)議通訊的測試的(例如，當(dāng)基于協(xié)議數(shù)據(jù)需要快速決策時)。FPGA對于那些從接收到發(fā)送數(shù)據(jù)間需要快速響應(yīng)的應(yīng)用也是有必要的，在這種情形下，測試硬件必須能夠快速檢測和響應(yīng)。
因?yàn)镕PGA是可通過軟件進(jìn)行重配置的硬件資源，因此對于同一硬件，可以通過不同配置支持多種協(xié)議，從而促進(jìn)硬件的重復(fù)使用。此外，還可以利用FPGA的硬件級執(zhí)行性能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)議狀態(tài)機(jī)，此外基于FPGA的并行執(zhí)行特性，可以實(shí)現(xiàn)同一協(xié)議接口的多個實(shí)例，從而進(jìn)行多個被測設(shè)備的并行測試。
閉環(huán)控制和動態(tài)測試
如今有許多被測設(shè)備需要與測試環(huán)境進(jìn)行實(shí)時的信號交互，在這種情況下，如果測試系統(tǒng)不能對被測設(shè)備提供實(shí)時反饋信息，就可能無法提供足夠的測試覆蓋范圍。例如，現(xiàn)代通信方案通常包含確認(rèn)數(shù)據(jù)包或比特數(shù)據(jù)。如果測試系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地解析這些確認(rèn)數(shù)據(jù)包或比特，并及時作出響應(yīng)，那么可能無法正確地測試被測設(shè)備。在大多數(shù)情況下，只有硬件(FPGA)可以提供這種低延遲響應(yīng)。
另一個實(shí)例是硬件在環(huán)(HIL)測試系統(tǒng)。在HIL系統(tǒng)中，待測設(shè)備通常是控制器，而測試系統(tǒng)必須模擬被控對象的行為。這樣可以提高對控制器進(jìn)行測試的性能和可靠性；在某些情況下，還可以在被控對象生產(chǎn)出來之前先通過測試系統(tǒng)模擬被控對象，從而對控制器的功能進(jìn)行驗(yàn)證。FPGA的高性能和低延遲可以基于確定性的閉環(huán)循環(huán)周期來準(zhǔn)確地模擬被控對象的行為。
圖2：FPGA硬件可以對協(xié)議級通信進(jìn)行編碼和解碼，從而簡化測試系統(tǒng)軟件
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