DSP和FPGA在汽車電子中的廣泛應用
數(shù)字圖像處理與分析技術已是一門較為成熟的二維信號處理技術,現(xiàn)已被廣泛應用于通信、生物醫(yī)學、工業(yè)檢測和軍事等各個方面,當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動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信息,還需傳送自己所處環(huán)境的圖像信息,例如救護傷員的現(xiàn)場圖景、緊急救災現(xiàn)場圖像等。同時,各個交通路口的流量監(jiān)控圖像要傳回交通指揮中心,也需要進行圖像信號的處理。對于這種汽車運動圖像,主要特點是:第一,多速率壓縮。由于無線信道的時變特性,系統(tǒng)的有效帶寬、傳輸方式和數(shù)據(jù)速率往往會不斷的變化;相應地,需要采用多速率壓縮方式,靈活地適應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,才能適應傳輸帶寬的要求。第三,運動圖像的運動補償。運動圖像由于它本身的相對運動,會有多普勒頻移問題。對于高速運動的汽車來說,這種頻移往往是不能忽視,必須對所獲圖像進行運動補償。
近年來,隨著微電子技術的迅猛發(fā)展和芯片制造工藝的提高,DSP和FPGA不斷涌現(xiàn),過去的一個機箱、甚至一個機柜的信號處理系統(tǒng),現(xiàn)在完全可以由單片的DSP或FPGA來完成,系統(tǒng)設計也將從過去的PCB板設計過渡到VLSI與UVLSI (甚大規(guī)模集成電路)芯片的設計。與此同時,由于DSP和FPGA技術的大量采用,數(shù)字圖像處理就硬件結構方面也發(fā)生了重大變化,它已由基本的串行結構發(fā)展成平行處理結構,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)。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展, 以及人們對數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實時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)品中的應用范圍將會越來越廣, 例如車載會議電視、車載可視電話、車載機器視覺等。
3.3 基于DSP和FPGA的車用自適應實時處理
FPGA的時鐘延遲可以達到納秒級,結合DSP和FPGA的并行處理方式,因此DSP和FPGA非常適合超高速和實時信號處理領域。如前所述,由于 FPGA內(nèi)部結構的特點,它可以很容易的實現(xiàn)分布式的算法結構,這一點對實現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號處理十分有利。因為汽車電子產(chǎn)品中通常都需要大量的濾波運算,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結構,F(xiàn)PGA可以有效地實現(xiàn)乘和累加操作。另一方面,需要的大量的復雜的數(shù)學運算,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,對產(chǎn)品的大小、重量、功耗特別關注;在數(shù)據(jù)傳輸方面,在汽車電子系統(tǒng)中由聲音信號數(shù)字化所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),要依靠高性能的DSP和FPGA來減少存儲空間和傳輸帶寬的要求,需要對視頻信號與音頻信號的編碼、解碼、彩色空間轉換、回音消除、濾波、誤碼校正、復用、比特流協(xié)議處理等任務進行自適應實時處理,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和重點問題,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)、自適應控制系統(tǒng)來實現(xiàn)汽車的最優(yōu)化控制。建立這些控制系統(tǒng)首先對汽車某個系統(tǒng),如點火提前角優(yōu)化控制系統(tǒng)進行識別,建立該系統(tǒng)的數(shù)學模型,然后采用相應的控制方法進行優(yōu)化控制。但是發(fā)動機本身結構比較復雜,影響點火的因素較多,理論推導優(yōu)化點火狀態(tài)下的數(shù)學模型比較困難。因此,一般采用實驗的方法找出各種工況下的最佳點火提前角,然后存入基于DSP和 FPGA或DSP和FPGA陣列加大容量外部存儲器中;這樣可以避免使用計算機。在控制過程中,系統(tǒng)實時地檢測發(fā)動機的工況(如發(fā)動機轉速、功率等),用查表的方法,查出該工況下的最佳點火提前角,進行修正后再去控制點火。這比傳統(tǒng)的基于計算機的控制方法,一方面,大大地減少了體積;另一方面,更具有實時性、靈活性。懸架電子控制,是指計算機檢測到轉向和制動狀況的信號后,能自適應地處理車輛的側傾、前后仰,并自動調(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),光柵檢測器用來測定轉向角等等。而DSP和FPGA的出現(xiàn)和發(fā)展應用,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)。它結合先進得公路信息處理技術和雷達防撞技術,將公路和汽車連為一個整體,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)駕駛員提供的目標資料,向駕駛員提供距離最短,而且能繞開車輛密度相對集中處的最佳行駛路線?!鞍踩谝弧庇肋h是用戶購車的第一選擇,目前研究比較熱的車用毫米波自適應防撞雷達,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速度都很高,而對雷達回波信號頻差的提取是必須實時地。因而,對于對雷達回波信號頻差的提取和處理,以及自適應防撞控制系統(tǒng)的反饋控制處理,往往是采用DSP或FPGA來實現(xiàn)的。
4 發(fā)展展望
縱觀近幾十年來汽車技術的重大成就,大都是在應用電子技術上進行的突破,電子技術已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要動力源泉。DSP和FPGA的出現(xiàn)給汽車產(chǎn)品和汽車電子技術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代里,由以DSP和 FPGA為核心所構建的通用硬件平臺,可以通過不同的軟件加載的方式來實現(xiàn)這種兼容。伴隨著未來汽車電子技術的不斷發(fā)展,DSP和FPGA的速度將會不斷提高。就DSP而言,目前發(fā)展很快,主要的趨勢有:在單片DSP中實現(xiàn)多個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;從結構上,采用SIMD以及MIMD,采用超長指令等。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。
我國對于汽車電子系統(tǒng)的研究還不夠深入。汽車制動防抱死系統(tǒng)、安全氣囊、自動變速器和柴油機電控系統(tǒng)等僅在部分高校和企業(yè)進行了探索性研究,并未進入實用階段。以汽車電子技術為代表的高新技術,正是我國汽車工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。針對這種情況,我國汽車電子技術的研究不僅應以汽車的節(jié)能、環(huán)保、安全為重點,力爭盡快掌握它們的核心技術,縮小與發(fā)達國家的差距,更應以車載通信和高速實時信號處理技術這類新興技術為突破口,依托國家信息技術研究的成果,開發(fā)先進的車載計算和信息處理產(chǎn)品,帶動整個汽車電子技術的進步,提高我國汽車的電子化水平。
評論