DSP和FPGA在汽車電子中的應用
加入技術交流群
1 引言
目前，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。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”。對此，我國汽車電子行業(yè)應該盡快掌握它們的核心技術，縮小與發(fā)達國家的差距，因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)出先進的車載計算和信息處理產(chǎn)品，提高汽車電子技術的進步，帶動我國汽車的電子化水平。
20世紀末，在全球范圍內興起了一股信息革命的大浪潮，給汽車工業(yè)的發(fā)展帶來了千載難逢的機遇。解決汽車帶來的諸如交通擁擠、交通安全、環(huán)境污染、能源枯竭等問題需要靠信息技術的廣泛應用。同時，隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，電子組件所占整車成本的比例也在逐步上升。據(jù)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%，并且，車用電子組件還以每年8.8％的速度飛快增長，特別是數(shù)字信號處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年驚人的25％速度猛增著?？梢?，電子化、集成化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、智能化、小型化和個性化已經(jīng)成為并且還將繼續(xù)是汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。本文僅集中探討汽車電子中基于DSP和FPGA的數(shù)字化應用技術。
汽車電子領域也有DSP和FPGA技術很廣泛的應用舞臺。因為其具有極強的實時性，使實時處理話音成為可能；由于它是通過面向芯片結構指令的軟件編程來實現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進系統(tǒng)原有設計方案或原有功能，具有極大的靈活性；又由于其并非專門為某種功能設計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價格可以很低。所以，如果DSP和FPGA在汽車電子系統(tǒng)中大量應用的話，將會極大地促進汽車電子技術的發(fā)展。
DSP
數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。
2 DSP和FPGA在汽車電子中的應用
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現(xiàn)擴展算法和數(shù)字信號處理功能的，其最典型的用途是實現(xiàn)FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構造單元是被稱為MAC的乘加器，它通常被集成在數(shù)據(jù)信道中，這使得指令周期時間可以跟硬件的算術周期時間相同。此外，DSP芯片還有若干個獨立的片內存儲器、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器、鐵電存儲器等技術。當前，大多數(shù)的DSP芯片采用改進的哈佛結構，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)可以同時進行，提高了處理效率。另外還采用了流水線技術，將取指、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟的指令時間可以重迭起來，大大提運算速度。
不過，由于現(xiàn)有的FPGA的開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗證而設計的，導致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(fā)時間上效率非常高，而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語言可大大提高設計能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設計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，盡管它是針對無線通信的，但軟件無線電所要實現(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卻是殊路同歸的。因此，有必要提及和采用這一技術的實現(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，它是當今計算技術、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術在無線通信中應用的產(chǎn)物；它所追求的基本思想和目標是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將多種功能，如工作頻段、調制解調類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，以實現(xiàn)具有高度靈活性，開放性的通信產(chǎn)品。因此，對于汽車電子數(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)品擺脫硬件結構的束縛；第二，并不是不要硬件；第三，汽車電子產(chǎn)品應該具有開放性和兼容性，開放是指對使用的開放、對生產(chǎn)的開放和對研制的開放。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用。
隨著應用日益多樣化，DSP和FPGA演變成不再是一塊獨立的芯片，而變成了構件內核。這使得設計師能選擇合適的內核和專用邏輯“膠結”在一起形成專用DSP和FPGA方案，以滿足信號處理的需要。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來實現(xiàn)語音合成，糾錯編碼。而語音合成、語音壓縮與編碼是DSP最早和最廣泛的應用，矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中。
隨著應用日益多樣化， DSP和FPGA演變成不再是一塊獨立的芯片，而變成了構件內核。這使得設計師能選擇合適的內核和專用邏輯“膠結”在一起形成專用DSP和FPGA方案，以滿足信號處理的需要。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來實現(xiàn)語音合成，糾錯編碼。而語音合成、語音壓縮與編碼是DSP最早和最廣泛的應用，矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中。
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。
4 發(fā)展展望
回憶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)前進發(fā)展的重要動力之源。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。
評論