汽車電子中的DSP和FPGA運(yùn)用

1、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，在歐美國家生產(chǎn)的汽車上，電子組件已占 到汽車總成本的20%30樂 并且，車用電子組件還以每年8. 8%的速度 快速增長，特別是數(shù)字信號(hào)處理器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

2、、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.，在歐美國家生產(chǎn)的汽車上，電子組件已占到汽車 總成本的20%30席,并且，車用電子組件還以每年8. 8%的速度快速增 長，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。估計(jì)到2005年，汽車電子組件的市場規(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

3、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

4、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

5、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)潛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)、

6、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兒 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D

7、SP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，及汽 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JoeMitola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

8、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的車用語音信號(hào)處理汽車電子產(chǎn)品中的語音處理主要涉及到語音的數(shù)字化處理、語音編解 碼、語音壓縮和語音識(shí)別。國外比較熱門的汽車電子產(chǎn)品之一就是語音 識(shí)別系統(tǒng)，語音識(shí)別系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用前景，包括聲控電話、語音操 作導(dǎo)航、聲控選擇廣播頻道、

9、防盜語音鑒別等。例如，一種基于隱式馬 可夫模型（HMM）的及講話人無關(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F

10、PGA的處理速度對(duì)語音信號(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H適應(yīng) 和聲域自適應(yīng)等現(xiàn)代語音處理和識(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)語音合成，糾錯(cuò)編碼。而語音合成、語音壓縮及編碼 是DSP最早和最廣泛的

11、應(yīng)用，矢量編碼器用于將語音信號(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)字圖像處理及分析技術(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)場圖景、緊急救 災(zāi)現(xiàn)場圖像等。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)

12、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

13、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及UVLSI （甚大規(guī)模集成電路）芯片的設(shè)計(jì)。及此同時(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處理港系統(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

14、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

15、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)及音頻信號(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)

16、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H 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

17、器用來控制車身高度，空氣彈簧用來調(diào)整彈性系 統(tǒng)，光柵檢測器用來測定轉(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)?！爸悄芙煌ㄏ到y(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)是用戶購車的第一選擇，目前研究比較熱的

18、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?；贒SP和FPGA的汽車