一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置

摘要

本发明涉及一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置，包含电源模块、通讯接口、FPGA处理器、同步脉冲阈值设定模块、同步脉冲识别模块、电流设定模块、电流信号输出模块、故障注入模块和传感器接口模块，其中，同步脉冲识别模块与传感器接口模块经故障注入模块相连接；电源模块用于接入车载蓄电池以转化为装置所需的各种数字电压；同步脉冲阈值设定模块和同步脉冲识别模块电连接，同步脉冲识别模块用于接收ECU发出的同步脉冲并与同步脉冲阈值设定模块的阈值电压进行比较之后输出TTL电平至FPGA处理器；电流设定模块与电流信号输出模块电连接，电流信号输出模块用于将电流设定模块设定的信号电流输出至传感器接口模块。由此，本发明能低成本地实现ECU仿真测试。

说明书

技术领域

本发明属于控制器仿真测试技术领域，具体涉及一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置。

背景技术

PSI5(Peripheral Sensor Interface)协议是一种开放标准，基于用于外设气囊传感器的现有传感器接口，目前已经在数百万个气囊系统中得到验证。这种传感器的数据可通过双线接口同时进行同步和异步传输。PSI5通信协议的技术特性和低实施成本，使它同样适合许多其他汽车传感器应用。

传感器(Sensor)与ECU使用1对双绞线进行连接，ECU对传感器的供电和双向数据传输均通过双绞线完成，通讯速率有125kbps和189kbps两种可选。当传感器向ECU传输数据时，低电流为传感器静态消耗电流，高电流由传感器内部调制产生，采用曼彻斯特编码。

如图1所示，在同步模式中，ECU在向传感器供电的基础上，周期性发送一个高电平电压信号作为同步脉冲(Sync Pulses)。各传感器在检测到同步脉冲后，按照预先配置的时隙(Time Slot)发送各自的电流信号以传输数据。

在汽车电子控制器(ECU)仿真测试领域，需要通过硬件仿真技术模拟PSI5传感器信号，以实现ECU相关功能的测试。但是现实中，PSI5协议仿真模拟难度较高，且信号电气特性较为复杂，所以目前很多仿真测试不得不通过机械结构结合真实的传感器，实现对应场景的测试，这种测试方案成本较高，且控制较为复杂，不利于ECU仿真测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置，以低成本地实现ECU仿真测试。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置，包含电源模块、通讯接口、FPGA处理器、同步脉冲阈值设定模块、同步脉冲识别模块、电流设定模块、电流信号输出模块、故障注入模块和传感器接口模块，所述FPGA处理器分别与所述电源模块、所述同步脉冲阈值设定模块、所述同步脉冲识别模块、电流设定模块、电流信号输出模块和所述故障注入模块电连接，所述同步脉冲识别模块与所述传感器接口模块经故障注入模块相连接；

所述电源模块用于接入车载蓄电池以转化为模拟装置所需的各种数字电压；

所述同步脉冲阈值设定模块和同步脉冲识别模块电连接，所述同步脉冲识别模块用于接收ECU发出的同步脉冲并与所述同步脉冲阈值设定模块的阈值电压进行比较之后输出TTL电平至FPGA处理器；

所述电流设定模块与电流信号输出模块电连接，所述电流信号输出模块用于将所述电流设定模块设定的信号电流经所述故障注入模块输出至所述传感器接口模块。

进一步地，所述同步脉冲阈值设定模块包括Boost升压电路和数字电位计，所述Boost升压电路的输入电压为所述车载蓄电池电压，所述Boost升压电路的输出电压连接在所述数字电位计的输入端，所述FPGA处理器与所述数字电位计的电阻调节端电连接；

所述同步脉冲识别模块包括滤波电路和比较器电路，所述滤波电路的输入端接入ECU发出的同步脉冲，所述滤波电路的输出端与所述比较器电路中的一输入端电连接，所述比较器电路中的另一输入端与所述数字电位计的输出端电连接。

进一步地，所述电流设定模块包括多个串联的电流设定电路，每一个所述电流设定电路均包括并联的精密电阻和开关器件。

进一步地，所述开关器件为继电器或者MOS管。

进一步地，所有所述精密电阻的阻值按照从小到大排列呈倍数为2的递增关系。

进一步地，所述精密电阻和开关器件的串联数量均为16个，所有所述精密电阻的最小阻值为1欧姆。

进一步地，所述故障注入模块包括连接在传感器与ECU之间的第一功率开关、连接在蓄电池负极与ECU之间的第二功率开关、连接在蓄电池正极与ECU之间的第三功率开关以及连接在外部故障源与ECU之间的第四功率开关。

本项发明以FPGA处理器通过通讯接口接收PC端上位机的控制，通过同步脉冲阈值设定模块调节同步脉冲的参考电压阈值以识别ECU发出的同步脉冲，通过电流设定模块设定信号电流大小并进行输出至传感器接口模块，以模拟出PSI5信号，可以广泛应用于各种汽车电子控制器的测试，无需实车测试，降低了测试成本，减少了测试时间，提高了测试的一致性和重复性，可安全进行各种极限测试且易于控制；而且，在各种模式下，信号电流连续可调，可适用各种不同的传感器接口；在同步模式下，同步脉冲的参考电压阈值可调，提高了模拟装置的适用性，从而低成本地实现ECU仿真测试。

附图说明

图1为各传感器检测到的同步脉冲和所发出的电流信号的示意图；

图2为本实施例中一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置的整体框架示意图；

图3为本实施例中同步脉冲的生成示意图；

图4为本实施例中同步脉冲阈值设定模块的电路示意图；

图5为本实施例中同步脉冲识别模块的电路示意图；

图6为本实施例中电流设定模块的电路示意图；

图7为本实施例中故障注入模块的电路示意图；

图8为本实施例中一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置的执行流程示意图。

标号说明：

100、一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置；101、电源模块；102、通讯接口；103、FPGA处理器；104、同步脉冲阈值设定模块；105、同步脉冲识别模块；106、电流设定模块；107、电流信号输出模块；108、传感器接口模块；109、故障注入模块；

1041、数字电位计；

1051、低通滤波模块；1052、比较器；

1061、信号放大电路。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例一

如图2至图8所示所示，一种基于FPGA处理器的PSI5信号模拟装置100，如图2所示，包含电源模块101、通讯接口102、FPGA处理器103、同步脉冲阈值设定模块104、同步脉冲识别模块105、电流设定模块106、电流信号输出模块107、故障注入模块109、传感器接口模块108，FPGA处理器103分别与电源模块101、同步脉冲阈值设定模块104、同步脉冲识别模块105、电流设定模块106、电流信号输出模块107和故障注入模块109电连接，同步脉冲识别模块105和电流信号输出模块107经故障注入模块109后与传感器接口模块108电连接。

在本实施例中，电源模块101用于接入车载蓄电池，其中，车载蓄电池的电压为12V，因此，电源模块101将12V电源转化为模拟装置所需的各种数字电压及模拟电压等。

在本实施例中，通讯接口102通过以太网连接PC端上位机，使得FPGA处理器103接收上位机的控制指令，并返回当前模拟装置状态。

在本实施例中，FPGA处理器103为模拟装置计算核心，识别上位机的控制指令，并根据控制指令输出电流模拟信号。

在本实施例中，如图3所示，同步脉冲阈值设定模块104和同步脉冲识别模块105电连接，其中，空闲状态时信号线上的电压为V1，通常为8-10V，同步脉冲电压为V2通常为16-20V，车载蓄电池电压为12V，即同步脉冲电压高于蓄电池电压，因此同步脉冲阈值设定模块104包含Boost升压电路和阈值设定电路，阈值设定电路为数字电位计1041，即Boost升压电路的输入电压为车载蓄电池电压，Boost升压电路的输出电压连接在数字电位计1041的输入端，FPGA处理器103与数字电位计1041的电阻调节端电连接。如图4所示，Vin为车载蓄电池电压，通过电感L1、开关S1、二极管D1和电容C1组成的Boost升压电路输出Vout，通常为30V，而后通过数字电位计1041产生阈值电压，FPGA处理器103通过SPI接口设定数字电位计1041电阻，从而调整阈值电压大小。由此，在同步模式下，同步脉冲电压阈值可调，适应性强，可灵活应用于不同传感器信号的模拟。

其中，图3中的Se1、Se2以及Sen中的Se为Sensor的缩写，即为传感器，即图3中的Se1、Se2以及Sen分别表示第一个传感器、第二个传感器以及第n个传感器。图4中的GND为接地。

在本实施例中，同步脉冲识别模块105用于接收ECU发出的同步脉冲并与同步脉冲阈值设定模块104的阈值电压进行比较之后输出TTL电平至FPGA处理器103。如图5所示，同步脉冲识别模块105包括滤波电路和比较器1052电路，滤波电路的输入端接入ECU发出的同步脉冲，滤波电路的输出端与比较器1052电路中的一输入端电连接，比较器1052电路中的另一输入端与数字电位计1041的输出端电连接，比较器1052电路的输出端输出TTL电平至FPGA处理器103。在本实施例中，滤波电路为低通滤波模块1051。

在本实施例中，电流设定模块106与电流信号输出模块107电连接，电流信号输出模块107用于将电流设定模块106设定的信号电流经故障注入模块109输出至传感器接口模块108。如图6所示，电流设定模块106包括将FPGA控制信号和传感器信号进行放大的信号放大电路1061以及多个串联的电流设定电路，每一个电流设定电路均包括并联的精密电阻和开关器件，通过控制不同开关器件(RELAY1-16)的状态，输出不同阻值大小的电阻信号，从而在异步模式和同步模式下，都可以连续调节信号回路中的PSI5信号电流，可应用于不同传感器信号，扩展了该模拟装置的适用性。

具体的，如图6所示，所有精密电阻的阻值按照从小到大排列呈倍数为2的递增关系，图6中所示精密电阻和开关器件的串联数量均为16个，所有精密电阻的最小阻值为1欧姆，即电阻步进值为1欧姆，因此电阻输出精度为1欧姆，范围为0-65536欧姆，这样可以组合设置任意的电阻值。在一个具体的示例中，图4所示的RELAY1-16中，比如RELAY1开关对应的电阻阻值可以为1欧姆，RELAY2开关对应的电阻阻值可以为2欧姆，RELAY3开关对应的电阻阻值可以为4欧姆；RELAY15开关对应的电阻阻值可以为16384欧姆，RELAY16开关对应的电阻阻值可以为32768欧姆等等。而在其他等同实施例中，图4所示的RELAY1-16中的电阻阻值并不是按照示意符合的数字大小依次递增，比如RELAY1开关对应的电阻阻值可以为4欧姆，RELAY2开关对应的电阻阻值可以为16384欧姆，RELAY3开关对应的电阻阻值可以为1欧姆；RELAY15开关对应的电阻阻值可以为32768欧姆，RELAY16开关对应的电阻阻值可以为2欧姆等等也是可以的，只要保证图4所示的RELAY1-16的电阻阻值是互不相同且按照从小到大排列呈倍数为2的递增关系即可。

需要说明的是，图6中的RELAY只是一个示意符号，指的可以是功率开关，本实施例的硬件可以采用继电器作为功率开关，其英文缩写为RELAY。功率开关是电子功率元器件，可以是继电器或者MOS管，主要用于信号的切换。如果功率开关是继电器，功率开关是单刀双掷的继电器。

在本实施例中，故障注入模块109包括连接在传感器Sensor与ECU之间的第一功率开关、连接在蓄电池负极与ECU之间的第二功率开关、连接在蓄电池正极与ECU之间的第三功率开关以及连接在外部故障源与ECU之间的第四功率开关。

如图7所示，故障注入模块109基于控制命令，分别控制第一功率开关S2、第二功率开关S3、第三功率开关S4与第四功率开关S5的通断，模拟相应的注入故障。

其中，第一功率开关S2布置在传感器Sensor和ECU之间，正常状态下第一功率开关S2为闭合状态，当第一功率开关S2断开时，传感器Sensor和ECU信号连接断开，从而模拟相应的传感器开路故障，触发ECU检测相关的开路故障。其中，在第一功率开关S2和传感器Sensor的两端分别接有保险丝FUSE1和FUSE2。

其中，第二功率开关S3布置在ECU信号和蓄电池负极之间，正常状态下该功率开关为断开状态，当第一功率开关S2断开，第二功率开关S3闭合时，ECU信号与蓄电池负极连接，从而模拟ECU相应引脚信号的对地短路故障。

其中，第三功率开关S4布置在ECU信号和蓄电池正极之间，正常状态下该功率开关为断开状态，当第一功率开关S2断开，第三功率开关S4闭合时，ECU信号与蓄电池正极连接，从而模拟ECU相应引脚信号的对蓄电池电源短路故障。

其中，第四功率开关S5布置在ECU信号和外部故障源之间，正常状态下该功率开关为断开状态，当第一功率开关S2断开，第四功率开关S5闭合时，ECU信号与外部故障源连接，从而模拟ECU相应引脚信号的对外部故障源短路故障。

由此，如图8所示，本实施例的工作流程如下：

1)如果接收到上位机发出的故障注入命令，模拟装置控制故障注入模块109向ECU信号线注入对应的故障；

2)如果接收到上位机发出的同步脉冲电压阈值设定命令，模拟装置控制同步脉冲阈值设定模块104设定识别同步脉冲的参考电压阈值；

3)如果接收到上位机发出的信号电流设定命令，模拟装置控制电流设定模块106设定PSI5输出电流；

4)如果接收到上位机发出的电流输出命令，模拟装置驱动电流信号输出模块107向ECU输出PSI5电流信号，直至输出完成。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。