汽車電子中的DSP和FPGA應用概況

1 引言

20 世紀末，全球范圍內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遇，信息技術的廣泛應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，隨著汽車電子技術的發(fā)展，電子組件所占整車成本的比例也逐步上升。據(jù)統(tǒng)計資料表明，目前，在歐美國家生產的汽車上，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，特別是數(shù)字信號處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年25％的速度增長。估計到2005年，汽車電子組件的市場規(guī)模，將達到170億美元。由此可見，電子化、集成化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、智能化、小型化和個性化已經成為并且還將繼續(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。

DSP 和FPGA技術在許多領域均有廣泛的應用，在汽車電子領域也有它廣泛的應用舞臺。由于具有極強的實時性，使其對話音進行實時處理成為可能；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DSP和 FPGA芯片并非專門為某種功能設計的，因而使用范圍廣、產量大、價格可以降到很低。所以，DSP和FPGA在汽車電子系統(tǒng)中大量應用，將會極大地促進汽車電子技術的發(fā)展。

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。

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，存儲數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復路器等組成。這樣，只要正確地設置了其中的數(shù)據(jù)，查找表就能夠通過對中的數(shù)據(jù)的讀取而實現(xiàn)輸入的任意布爾函數(shù)。觸發(fā)發(fā)器則用來存儲數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機的狀態(tài)信息。復路器可以選擇不同的輸入信號的組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線資源連接起來，就可以實現(xiàn)不同的組合邏輯和時序邏輯。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。由于FPGA器件實現(xiàn)的各功能塊可以同時工作，從而實現(xiàn)指令級、比特級、流水線級甚至是任務級的并行執(zhí)行，從而大大地加快了計算速度。由FPGA實現(xiàn)的計算系統(tǒng)可以達到現(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中集成一個支持所有標準的系統(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Joe Mitola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，開放性的通信產品。因此，對于汽車電子數(shù)字化產品的研究，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。

3.1基于DSP和FPGA的車用語音信號處理

汽車電子產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、語音壓縮和語音識別。國外比較熱門的汽車電子產品之一就是語音識別系統(tǒng)，語音識別系統(tǒng)具有潛在的應用前景，包括聲控電話、語音操作導航、聲控選擇廣播頻道、防盜語音鑒別等。例如，一種基于隱式馬可夫模型（HMM）的與講話人無關、100條指令識別的應用，由文獻可知，那幺聲學HMM模型的大小將為。進行包括輸入語音采樣的細分/開窗、MFCC提取、概率計算和Viterbi搜尋等適時處理，對DSP的運算量要求一般為10000萬次乘加（MAC）運算。對于連續(xù)語音信號的識別，則要求更好的數(shù)字信號處理速度和更大的存儲空間。

由于語音識別系統(tǒng)要對聲音進行實時處理和采樣，需要大量的運算，如果以它們20%的計算資源分配用于1000萬次MAC語音識別應用，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。DSP和FPGA的處理速度對語音信號處理應用系統(tǒng)的復雜性和性能起著決定性作用，高速DSP和FPGA的實現(xiàn)可實現(xiàn)聲道自適應和聲域自適應等現(xiàn)代語音處理和識別技術。從理論上講，DSP和FPGA處理速度越快，汽車語音處理和識別產品的應用性能就越好。

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。

3.2 基于DSP和FPGA的車用圖像信號處理

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。在汽車電子產品中，對產品的大小、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。“安全第一” 永遠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。基于DSP和FPGA的汽車電子產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。