汽車電子中的DSP和FPGA運(yùn)用

汽車電子中的DSP和FPGA運(yùn)用

　1 　引言

　　20世紀(jì)末，全球范圍內(nèi)興起的信息革命浪潮，為汽車工業(yè)的突破性發(fā)展提供了千載難逢的機(jī)遇，信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用是解決汽車帶來的諸如交通擁擠、交通安全、環(huán)境污染、能源枯竭等問題的最佳途徑。同時(shí)，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電子組件所占整車成本的比例也逐步上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，目前，在歐美國(guó)家生產(chǎn)的汽車上，電子組件已占到汽車總成本的20%～30%，并且，車用電子組件還以每年8.8％的速度快速增長(zhǎng)，特別是數(shù)字信號(hào)處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年25％的速度增長(zhǎng)。估計(jì)到2005年，汽車電子組件的市場(chǎng)規(guī)模，將達(dá)到170億美元。由此可見，電子化、集成化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、小型化和個(gè)性化已經(jīng)成為并且還將繼續(xù)是汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。本文僅集中探討汽車電子中基于DSP和FPGA的數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)。

　　DSP和 FPGA技術(shù)在許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，在汽車電子領(lǐng)域也有它廣泛的應(yīng)用舞臺(tái)。由于具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，使其對(duì)話音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能；由于它是通過面向芯片結(jié)構(gòu)指令的軟件編程來實(shí)現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺(tái)就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)方案或原有功能，具有極大的靈活性；又由于 DSP和FPGA芯片并非專門為某種功能設(shè)計(jì)的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價(jià)格可以降到很低。所以，DSP和FPGA在汽車電子系統(tǒng)中大量應(yīng)用，將會(huì)極大地促進(jìn)汽車電子技術(shù)的發(fā)展。

　　2　 DSP和FPGA在汽車電子中的應(yīng)用比較

　　DSP作為可編程超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件，是通過可下載的軟件或固件來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展算法和數(shù)字信號(hào)處理功能的，其最典型的用途是實(shí)現(xiàn)FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構(gòu)造單元是被稱為MAC的乘加器，它通常被集成在數(shù)據(jù)信道中，這使得指令周期時(shí)間可以跟硬件的算術(shù)周期時(shí)間相同。此外，DSP芯片還有若干個(gè)獨(dú)立的片內(nèi)存儲(chǔ)器、ROM、RAM、并行功能單元、鎖相環(huán)(PLL)、振蕩器、幾條8位或16位的總線、時(shí)鐘中斷電路等。為滿足無線便攜式器件無電保存數(shù)據(jù)的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)器等技術(shù)。當(dāng)前，大多數(shù)的DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線相互分離，使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行，提高了處理效率。另外還采用了流水線技術(shù)，將取指、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟的指令時(shí)間可以重迭起來，大大提運(yùn)算速度。

　　FPGA 指的是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它的基本功能模塊是由n輸入的查找表，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復(fù)路器等組成。這樣，只要正確地設(shè)置了其中的數(shù)據(jù)，查找表就能夠通過對(duì)中的數(shù)據(jù)的讀取而實(shí)現(xiàn)輸入的任意布爾函數(shù)。觸發(fā)發(fā)器則用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息。復(fù)路器可以選擇不同的輸入信號(hào)的組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線資源連接起來，就可以實(shí)現(xiàn)不同的組合邏輯和時(shí)序邏輯。由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。由于FPGA器件實(shí)現(xiàn)的各功能塊可以同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)指令級(jí)、比特級(jí)、流水線級(jí)甚至是任務(wù)級(jí)的并行執(zhí)行，從而大大地加快了計(jì)算速度。由FPGA實(shí)現(xiàn)的計(jì)算系統(tǒng)可以達(dá)到現(xiàn)有通用處理器的數(shù)百甚至上千倍。并且，由于FPGA可動(dòng)態(tài)地配置，系統(tǒng)的硅片面積不再是所支持無線接口數(shù)的線形函數(shù)，因此有可能在很少的幾片甚至一片F(xiàn)PGA中集成一個(gè)支持所有標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。不過，由于現(xiàn)有的FPGA的開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗(yàn)證而設(shè)計(jì)的，導(dǎo)致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(fā)時(shí)間上效率非常高，而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語(yǔ)言可大大提高設(shè)計(jì)能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設(shè)計(jì)方法還有一定的局限性，還不能提供 FPGA布局布線的優(yōu)化和約束。

　　3　 汽車電子中的DSP和FPGA應(yīng)用

　　提到汽車電子的數(shù)字化，不能不想到目前無線通信很看好的軟件無線電技術(shù)，盡管它是針對(duì)無線通信的，但軟件無線電所要實(shí)現(xiàn)的思想，與汽車電子之所以要數(shù)字化處理所追求的目標(biāo)卻是殊路同歸的。因此，有必要提及和采用這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思路和思想。軟件無線電概念的首次明確提出是在1992年5月，由 MITRE 公司的Joe Mitola提出，它是當(dāng)今計(jì)算技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無線通信中應(yīng)用的產(chǎn)物；它所追求的基本思想和目標(biāo)是：構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將多種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，以實(shí)現(xiàn)具有高度靈活性，開放性的通信產(chǎn)品。因此，對(duì)于汽車電子數(shù)字化產(chǎn)品的研究，完全可以吸取軟件無線電的以下主要思想：第一，要使汽車電子產(chǎn)品擺脫硬件結(jié)構(gòu)的束縛；第二，并不是不要硬件；第三，汽車電子產(chǎn)品應(yīng)該具有開放性和兼容性，開放是指對(duì)使用的開放、對(duì)生產(chǎn)的開放和對(duì)研制的開放。下面，就基于軟件無線電的思想探討DSP和FPGA在汽車電子中的主要應(yīng)用。

3.1基于DSP和FPGA的車用語(yǔ)音信號(hào)處理

　　汽車電子產(chǎn)品中的語(yǔ)音處理主要涉及到語(yǔ)音的數(shù)字化處理、語(yǔ)音編解碼、語(yǔ)音壓縮和語(yǔ)音識(shí)別。國(guó)外比較熱門的汽車電子產(chǎn)品之一就是語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用前景，包括聲控電話、語(yǔ)音操作導(dǎo)航、聲控選擇廣播頻道、防盜語(yǔ)音鑒別等。例如，一種基于隱式馬可夫模型（HMM）的與講話人無關(guān)、 100條指令識(shí)別的應(yīng)用，由文獻(xiàn)可知，那幺聲學(xué)HMM模型的大小將為。進(jìn)行包括輸入語(yǔ)音采樣的細(xì)分/開窗、MFCC提取、概率計(jì)算和Viterbi搜尋等適時(shí)處理，對(duì)DSP的運(yùn)算量要求一般為10000萬次乘加（MAC）運(yùn)算。對(duì)于連續(xù)語(yǔ)音信號(hào)的識(shí)別，則要求更好的數(shù)字信號(hào)處理速度和更大的存儲(chǔ)空間。

　　由于語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)要對(duì)聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和采樣，需要大量的運(yùn)算，如果以它們20%的計(jì)算資源分配用于1000萬次MAC語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用，那么需要處理器能夠具有5000萬次MAC的能力。因此，必須采用DSP和FPGA才能完成其任務(wù)。DSP和FPGA的處理速度對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性和性能起著決定性作用，高速DSP和FPGA的實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)聲道自適應(yīng)和聲域自適應(yīng)等現(xiàn)代語(yǔ)音處理和識(shí)別技術(shù)。從理論上講，DSP和FPGA處理速度越快，汽車語(yǔ)音處理和識(shí)別產(chǎn)品的應(yīng)用性能就越好。

　　隨著應(yīng)用日益多樣化， DSP和FPGA演變成不再是一塊獨(dú)立的芯片，而變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計(jì)師能選擇合適的內(nèi)核和專用邏輯“膠結(jié)”在一起形成專用DSP和FPGA方案，以滿足信號(hào)處理的需要。目前，還出現(xiàn)把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽車電子系統(tǒng)使用通用DSP和FPGA來實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音合成，糾錯(cuò)編碼。而語(yǔ)音合成、語(yǔ)音壓縮與編碼是DSP最早和最廣泛的應(yīng)用，矢量編碼器用于將語(yǔ)音信號(hào)壓縮到有限帶寬的信道中。

　　3.2 基于DSP和FPGA的車用圖像信號(hào)處理

　　數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)已是一門較為成熟的二維信號(hào)處理技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于通信、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)和軍事等各個(gè)方面，當(dāng)然在汽車電子中也將涉及到大量的圖像處理處理。汽車電子中的圖像處理主要包括運(yùn)動(dòng)圖像處理和靜止圖像處理。目前，很多行業(yè)的汽車都已經(jīng)開通了全球定位系統(tǒng)（GPS）。車載 GPS系統(tǒng)除了傳送自己的位置坐標(biāo)信息，還需傳送自己所處環(huán)境的圖像信息，例如救護(hù)傷員的現(xiàn)場(chǎng)圖景、緊急救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像等。同時(shí)，各個(gè)交通路口的流量監(jiān)控圖像要傳回交通指揮中心，也需要進(jìn)行圖像信號(hào)的處理。對(duì)于這種汽車運(yùn)動(dòng)圖像，主要特點(diǎn)是：第一，多速率壓縮。由于無線信道的時(shí)變特性，系統(tǒng)的有效帶寬、傳輸方式和數(shù)據(jù)速率往往會(huì)不斷的變化；相應(yīng)地，需要采用多速率壓縮方式，靈活地適應(yīng)信道帶寬的這種變化。第二，壓縮比例大。比如NTSC電視圖像的數(shù)據(jù)量約為 167Mb/s，要將其壓縮200至6000倍左右，才能適應(yīng)傳輸帶寬的要求。第三，運(yùn)動(dòng)圖像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)圖像由于它本身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)有多普勒頻移問題。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的汽車來說，這種頻移往往是不能忽視，必須對(duì)所獲圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

　　近年來，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和芯片制造工藝的提高，DSP和FPGA不斷涌現(xiàn)，過去的一個(gè)機(jī)箱、甚至一個(gè)機(jī)柜的信號(hào)處理系統(tǒng)，現(xiàn)在完全可以由單片的DSP或FPGA來完成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也將從過去的PCB板設(shè)計(jì)過渡到VLSI與UVLSI (甚大規(guī)模集成電路)芯片的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，由于DSP和FPGA技術(shù)的大量采用，數(shù)字圖像處理就硬件結(jié)構(gòu)方面也發(fā)生了重大變化，它已由基本的串行結(jié)構(gòu)發(fā)展成平行處理結(jié)構(gòu)，由單片DSP或FPGA處理器發(fā)展成多DSP或FPGA處理器系統(tǒng)，或帶陣列DSP和FPGA的高速處理系統(tǒng)。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 以及人們對(duì)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求也越來越高，基于DSP和FPGA的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在汽車電子產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍將會(huì)越來越廣， 例如車載會(huì)議電視、車載可視電話、車載機(jī)器視覺等。

　　3.3 基于DSP和FPGA的車用自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理

　　FPGA的時(shí)鐘延遲可以達(dá)到納秒級(jí)，結(jié)合DSP和FPGA的并行處理方式，因此DSP和 FPGA非常適合超高速和實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域。如前所述，由于 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。因?yàn)槠囯娮赢a(chǎn)品中通常都需要大量的濾波運(yùn)算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA可以有效地實(shí)現(xiàn)乘和累加操作。另一方面，需要的大量的復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來完成的。在汽車電子產(chǎn)品中，對(duì)產(chǎn)品的大小、重量、功耗特別關(guān)注；在數(shù)據(jù)傳輸方面，在汽車電子系統(tǒng)中由聲音信號(hào)數(shù)字化所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，要依靠高性能的DSP和FPGA來減少存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的要求，需要對(duì)視頻信號(hào)與音頻信號(hào)的編碼、解碼、彩色空間轉(zhuǎn)換、回音消除、濾波、誤碼校正、復(fù)用、比特流協(xié)議處理等任務(wù)進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理，這是往往非DSP和FPGA不能完成的。

　控制理論處理是汽車電子中的難點(diǎn)和重點(diǎn)問題，利用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論而建立的開環(huán)、死循環(huán)、最優(yōu)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)汽車的最優(yōu)化控制。建立這些控制系統(tǒng)首先對(duì)汽車某個(gè)系統(tǒng)，如點(diǎn)火提前角優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后采用相應(yīng)的控制方法進(jìn)行優(yōu)化控制。但是發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響點(diǎn)火的因素較多，理論推導(dǎo)優(yōu)化點(diǎn)火狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型比較困難。因此，一般采用實(shí)驗(yàn)的方法找出各種工況下的最佳點(diǎn)火提前角，然后存入基于DSP和 FPGA或DSP和 FPGA陣列加大容量外部存儲(chǔ)器中；這樣可以避免使用計(jì)算機(jī)。在控制過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等），用查表的方法，查出該工況下的最佳點(diǎn)火提前角，進(jìn)行修正后再去控制點(diǎn)火。這比傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的控制方法，一方面，大大地減少了體積；另一方面，更具有實(shí)時(shí)性、靈活性。懸架電子控制，是指計(jì)算機(jī)檢測(cè)到轉(zhuǎn)向和制動(dòng)狀況的信號(hào)后，能自適應(yīng)地處理車輛的側(cè)傾、前后仰，并自動(dòng)調(diào)整減震器阻尼力的控制系統(tǒng)，它能防止傾斜并提高車輪的地面附著力，超聲波高度傳感器用來控制車身高度，空氣彈簧用來調(diào)整彈性系統(tǒng)，光柵檢測(cè)器用來測(cè)定轉(zhuǎn)向角等等。而DSP和FPGA的出現(xiàn)和發(fā)展應(yīng)用，已使各系統(tǒng)控制走向集中，形成整車的智能控制系統(tǒng)。

　　“智能交通系統(tǒng)”作為未來汽車和交通行業(yè)共同的追求方向，它將包括智能公路和智能汽車系統(tǒng)。它結(jié)合先進(jìn)得公路信息處理技術(shù)和雷達(dá)防撞技術(shù)，將公路和汽車連為一個(gè)整體，可以極大地提高汽車流量，大幅度地降低交通事故的發(fā)生率。因此，汽車智能化相關(guān)的產(chǎn)品已受到汽車制造商們的高度重視。智能交通系統(tǒng)能根據(jù)駕駛員提供的目標(biāo)資料，向駕駛員提供距離最短，而且能繞開車輛密度相對(duì)集中處的最佳行駛路線?！鞍踩谝弧庇肋h(yuǎn)是用戶購(gòu)車的第一選擇，目前研究比較熱的車用毫米波自適應(yīng)防撞雷達(dá)，就是為解決高速公路上的由于撞車而造成的大量交通事故而研制的。由于在高速公路汽車間的相對(duì)速度都很高，而對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)頻差的提取是必須實(shí)時(shí)地。因而，對(duì)于對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)頻差的提取和處理，以及自適應(yīng)防撞控制系統(tǒng)的反饋控制處理，往往是采用DSP或FPGA來實(shí)現(xiàn)的。

　　4 　發(fā)展展望

　　縱觀近幾十年來汽車技術(shù)的重大成就，大都是在應(yīng)用電子技術(shù)上進(jìn)行的突破，電子技術(shù)已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿υ慈SP和FPGA的出現(xiàn)給汽車產(chǎn)品和汽車電子技術(shù)帶來了革命性的變化，世界汽車工業(yè)的DSP和FPGA用量激增，由從前單片DSP或FPGA處理器發(fā)展成多DSP或FPGA處理器，或 DSP和FPGA陣列的高速處理器。基于DSP和FPGA的汽車電子產(chǎn)品能夠滿足未來的汽車發(fā)展的需要，并且，在多種車型并存的時(shí)代里，由以DSP和 FPGA為核心所構(gòu)建的通用硬件平臺(tái)，可以通過不同的軟件加載的方式來實(shí)現(xiàn)這種兼容。伴隨著未來汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP和FPGA的速度將會(huì)不斷提高。就DSP而言，目前發(fā)展很快，主要的趨勢(shì)有：在單片DSP中實(shí)現(xiàn)多個(gè)MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線和數(shù)據(jù)總線、更高的工作頻率；從結(jié)構(gòu)上，采用SIMD以及MIMD，采用超長(zhǎng)指令等。就FPGA而言，由于亞微米工藝的采用，其速度更快，門數(shù)更多。目前Lucent和XILINX公司均有10 萬門以上的產(chǎn)品，并且集成了一些新的功能，如System on Chip，Programming on System等，使其更加靈活。

　　我國(guó)對(duì)于汽車電子系統(tǒng)的研究還不夠深入。汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、安全氣囊、自動(dòng)變速器和柴油機(jī)電控系統(tǒng)等僅在部分高校和企業(yè)進(jìn)行了探索性研究，并未進(jìn)入實(shí)用階段。以汽車電子技術(shù)為代表的高新技術(shù)，正是我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。針對(duì)這種情況，我國(guó)汽車電子技術(shù)的研究不僅應(yīng)以汽車的節(jié)能、環(huán)保、安全為重點(diǎn)，力爭(zhēng)盡快掌握它們的核心技術(shù)，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，更應(yīng)以車載通信和高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)這類新興技術(shù)為突破口，依托國(guó)家信息技術(shù)研究的成果，開發(fā)先進(jìn)的車載計(jì)算和信息處理產(chǎn)品，帶動(dòng)整個(gè)汽車電子技術(shù)的進(jìn)步，提高我國(guó)汽車的電子化水平。