車上的可編程超級(jí)計(jì)算機(jī)

與高級(jí)汽車電子系統(tǒng)相關(guān)的總成本不斷攀升——汽車電子現(xiàn)在占有車輛成本的22％，預(yù)計(jì)在2010年將至少增加到40％。由于這些系統(tǒng)隨著快速變化的需求而迅速發(fā)展，制造商必須努力實(shí)現(xiàn)體積更小、價(jià)格更低，更加靈活的創(chuàng)新方案，以便在成本和產(chǎn)品及時(shí)面市的競爭中保持優(yōu)勢。目前，標(biāo)準(zhǔn)汽車中對(duì)視頻、音頻和無線信號(hào)處理需要的計(jì)算能力越來越強(qiáng)，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)能夠滿足這些要求較苛刻的靈活性和處理要求，同時(shí)還能夠降低系統(tǒng)成本。

由于可編程邏輯內(nèi)在的靈活性，汽車制造商不必采用專用集成電路（ASIC）或者專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）設(shè)計(jì)，便可以設(shè)計(jì)能夠跨越多平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，從而降低總成本。FPGA還可以對(duì)多個(gè)到達(dá)信號(hào)進(jìn)行高度分布的并行處理，以更低的成本提供比現(xiàn)有數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）更高的性能。

隨著汽車電子系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，采用處理器來控制汽車中的多種功能，如制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）和燃油噴射單元，以及邊沿娛樂系統(tǒng)等。汽車網(wǎng)絡(luò)通常分為主體和供電控制網(wǎng)絡(luò)、信息處理和多媒體子網(wǎng)。中心控制器是汽車系統(tǒng)的核心部分，使用戶能夠操作不同的電子系統(tǒng)和控制單元。為實(shí)現(xiàn)與這些電子控制單元的通信，中心控制器必須能夠通過網(wǎng)關(guān)控制器訪問所有類型的總線，網(wǎng)關(guān)控制器是車內(nèi)不同電氣和光學(xué)總線的路由器。

信息處理/娛樂控制器

在汽車中，信息處理系統(tǒng)整合了帶有全球定位系統(tǒng)（GPS）的無線通信和嵌入式計(jì)算功能，以顯示當(dāng)前交通狀況、行駛地圖和方向，以及速度和燃油效率數(shù)據(jù)等。此外，出現(xiàn)緊急情況時(shí)，該系統(tǒng)可提供救援服務(wù)，指示車輛的確切位置。

信息處理系統(tǒng)的嵌入式處理器控制系統(tǒng)功能包括GPS、車輪傳感和轉(zhuǎn)速接口等。這些部分的行駛信息和車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息等數(shù)據(jù)通過LCD圖形控制器進(jìn)行顯示。

娛樂單元提供對(duì)存儲(chǔ)MP3音樂文件的音頻播放器/CD-ROM的訪問。GPS系統(tǒng)所使用的系統(tǒng)行駛數(shù)據(jù)也可以存放在其中。通過多種總線連接，接口單元支持控制器對(duì)所有汽車娛樂和駕駛信息系統(tǒng)的訪問，如車載計(jì)算機(jī)等?？刹捎猛ㄓ么锌偩€（USB）、IEEE1394（FireWire）或者以太網(wǎng)（以及藍(lán)牙技術(shù)）接口將筆記本電腦或者個(gè)人數(shù)字助理（PDA）等便攜式設(shè)備連接至系統(tǒng)，以同步數(shù)據(jù)或者上載/下載文件。

在這些汽車應(yīng)用中需要大量的功能和接口，因此要具有極大的靈活性。FPGA是信息處理系統(tǒng)中多種應(yīng)用的理想選擇?？删幊踢壿嬍蛊囋O(shè)計(jì)人員能夠定制接口，以適應(yīng)多種數(shù)據(jù)源。它能夠與汽車ASSP器件一起提供互補(bǔ)、靈活的系統(tǒng)。信息處理控制器的大部分功能都可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

采用FPGA中現(xiàn)成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核，以及PCI和控制區(qū)域網(wǎng)（CAN）控制器，可以顯著縮短汽車應(yīng)用開發(fā)成本和面市時(shí)間。而且，可采用FPGA中專有嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)信息處理應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)微控制器功能。

信息處理/娛樂系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)用于控制汽車電子系統(tǒng)，并為駕駛員和其他乘客及時(shí)有效的顯示這些信息。信息數(shù)據(jù)包括行駛、全球GPS和地圖、娛樂系統(tǒng)、移動(dòng)電話以及某些地區(qū)的道路收費(fèi)系統(tǒng)等。
 
汽車電子設(shè)計(jì)人員開發(fā)信息處理系統(tǒng)時(shí)，面臨預(yù)計(jì)構(gòu)建哪種系統(tǒng)，如何定制各部分以及今后更新等問題的挑戰(zhàn)。汽車制造商也必須確保其產(chǎn)品接口能夠適應(yīng)各種設(shè)備，如用戶自己安裝的換修設(shè)備等。

FPGA可以解決多種類似挑戰(zhàn)，使汽車制造商及其主要供應(yīng)商能夠開發(fā)、定制靈活的信息處理系統(tǒng)，滿足客戶的特定需求。FPGA為接口總線提供不同規(guī)模的可升級(jí)互連，也可以用作完整的總線接口單元，支持不同ASSP所采用各種協(xié)議之間的通信。

汽車網(wǎng)關(guān)控制器和汽車PC

汽車網(wǎng)關(guān)控制器可用作不同電氣和光學(xué)總線之間的路由器，集成USB、Firewire、媒體系統(tǒng)傳送（MOST）總線，以及CAN系統(tǒng)互連等標(biāo)準(zhǔn)多媒體接口?？刂破鬟€可以實(shí)現(xiàn)與采用以太網(wǎng)和藍(lán)牙技術(shù)等計(jì)算機(jī)相關(guān)接口的前沿汽車系統(tǒng)的連接。




在某些應(yīng)用中，汽車PC用于控制閃存和CD-ROM驅(qū)動(dòng)等媒體設(shè)備。通常需要一個(gè)小型CPU來控制網(wǎng)關(guān)的路由功能。網(wǎng)關(guān)控制器可以從汽車PC中單獨(dú)分離出來，以支持各種接口，使系統(tǒng)能夠與不同制造商使用的總線進(jìn)行通信。

專用FPGA是理想的總線橋接方案；設(shè)計(jì)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)低成本ASSP，結(jié)合FPGA，與不同制造商采用的特定總線系統(tǒng)進(jìn)行連接。這種優(yōu)勢提高了系統(tǒng)容量，降低了開發(fā)成本。對(duì)于系統(tǒng)供應(yīng)商，采用FPGA也意味著其設(shè)計(jì)人員僅開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)即可順利完成開發(fā)過程。



汽車軟件無線電

汽車軟件無線電（SDR）是指在無線通信中，發(fā)射器調(diào)制和接收器解調(diào)均由軟件完成。SDR接收器在天線之后便是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，在二者之間也會(huì)有一個(gè)接口單元。軟件控制的混頻和基帶處理完全數(shù)字化。這種方法主要優(yōu)勢在于靈活性；對(duì)于任何類型的接收器配置，軟件都可以運(yùn)行在一個(gè)通用硬件平臺(tái)上。設(shè)計(jì)人員可以提取出硬件所需的一組通用功能，以實(shí)現(xiàn)所有可能的接收器，當(dāng)需要新的接收器時(shí)，還可以選擇重新配置硬件。

多個(gè)接收器配置可能需要一組不同的通道處理模塊來實(shí)現(xiàn)，該模塊在SDR控制器的控制下，重新裝入到FPGA中。數(shù)控振蕩器（NCO）、有限沖擊響應(yīng)（FIR）、無限沖擊響應(yīng)（IIR）、快速傅立葉變換（FFT），以及星座圖等各種專用IP內(nèi)核可用于實(shí)現(xiàn)SDR所需的通道處理、解碼和波形模塊。

汽車涉及到多種信息處理，因此對(duì)接收各種協(xié)議的需求在不斷增加。從接收AM和FM電臺(tái)開始，汽車還能夠接收衛(wèi)星信號(hào)、電視、WiFi、3G WiMax、OFDM協(xié)議，甚至是今天還沒有想到的。因此，有必要采用一種軟件定義并能修改的靈活系統(tǒng)。既使在系統(tǒng)投入使用后，F(xiàn)PGA內(nèi)在的靈活性使其仍舊可以進(jìn)行修改，因而成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵鏈接。

結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)倉、乘客車廂內(nèi)以及外部診斷系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA為成功的汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活的低風(fēng)險(xiǎn)途徑——降低了制造的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了最佳成本效益。

FPGA現(xiàn)在主要用在電源供電、汽車PC、信息處理、汽車無線電、主體控制以及其他汽車應(yīng)用上。FPGA和最佳IP內(nèi)核、硬件和軟件微處理器、強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件以及各種開發(fā)套件相結(jié)合，構(gòu)成專用解決方案，實(shí)現(xiàn)完整的、易于使用的汽車電子設(shè)計(jì)平臺(tái)。

在一個(gè)集成FPGA包裝中，汽車設(shè)計(jì)人員可以得到在競爭激勵(lì)的市場中獲勝所需的全部幫助，如通過避免較大的流片投入（NRE）和時(shí)間花費(fèi)以降低成本，以及降低ASIC所需的訂購成本等。既使在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，他們也可以繼續(xù)開發(fā)系統(tǒng)，而不必等到ASSP試制成功。其他優(yōu)勢包括設(shè)計(jì)過程的重新編程能力，如車輛中，各種系統(tǒng)重復(fù)使用同一個(gè)硬件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少芯片的重復(fù)使用來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)和成本管理，以及對(duì)信息處理領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議不斷變化的自適應(yīng)性等。FPGA的靈活、適應(yīng)性、內(nèi)在的性能和成本優(yōu)勢使汽車工業(yè)煥然一新。明天的汽車將再也不會(huì)是以前的老爺車了。