汽車電子中的DSP和FPGA運用

　1 　引言

　　20世紀末，全球范圍內興起的信息革命浪潮，為汽車工業的突破性發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展，電子組件所占整車成本的比例也逐步上升。據統計資料表明，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模，將達到170億美元。由此可見，電子化、集成化、數字化、信息化、網絡化、智能化、小型化和個性化已經成為并且還將繼續是汽車工業發展的重要趨勢。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在汽車電子系統中大量應用，將會極大地促進汽車電子技術的發展。

　　2　 DSP和FPGA在汽車電子中的應用比較

　　DSP作為可編程超大規模集成電路(VLSI)器件，是通過可下載的軟件或固件來實現擴展算法和數字信號處理功能的，其最典型的用途是實現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，它通常被集成在數據信道中，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(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據的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲器、鐵電存儲器等技術。當前，大多數的DSP芯片采用改進的哈佛結構，即數據總線和地址總線相互分離，使得處理指令和數據可以同時進行，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、執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，存儲數據的觸發器和復路器等組成。這樣，只要正確地設置了其中的數據，查找表就能夠通過對中的數據的讀取而實現輸入的任意布爾函數。觸發發器則用來存儲數據，如有限狀態機的狀態信息。復路器可以選擇不同的輸入信號的組合，將查找表和觸發器用可編程的布線資源連接起來，就可以實現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分布式的算法結構，這一點對實現汽車電子中的高速數字信號處理十分有利。由于FPGA器件實現的各功能塊可以同時工作，從而實現指令級、比特級、流水線級甚至是任務級的并行執行，從而大大地加快了計算速度。由FPGA實現的計算系統可以達到現有通用處理器的數百甚至上千倍。并且，由于FPGA可動態地配置，系統的硅片面積不再是所支持無線接口數的線形函數，因此有可能在很少的幾片甚至一片FPGA中集成一個支持所有標準的系統。不過，由于現有的FPGA的開發系統幾乎都是為ASIC的原型驗證而設計的，導致這些開發系統在節省工程開發時間上效率非常高，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布局布線的優化和約束。

　　3　 汽車電子中的DSP和FPGA應用

　　提到汽車電子的數字化，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的思想，與汽車電子之所以要數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、超大規模集成電路和數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、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，以實現具有高度靈活性，開放性的通信產品。因此，對于汽車電子數字化產品的研究，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，語音識別系統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。對于連續語音信號的識別，則要求更好的數字信號處理速度和更大的存儲空間。

　　由于語音識別系統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的復雜性和性能起著決定性作用，高速DSP和FPGA的實現可實現聲道自適應和聲域自適應等現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，還出現把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽車電子系統使用通用DSP和FPGA來實現語音合成，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，現已被廣泛應用于通信、生物醫學、工業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，很多行業的汽車都已經開通了全球定位系統（GPS）。車載 GPS系統除了傳送自己的位置坐標信息，還需傳送自己所處環境的圖像信息，例如救護傷員的現場圖景、緊急救災現場圖像等。同時，各個交通路口的流量監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，系統的有效帶寬、傳輸方式和數據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電視圖像的數據量約為 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展和芯片制造工藝的提高，DSP和FPGA不斷涌現，過去的一個機箱、甚至一個機柜的信號處理系統，現在完全可以由單片的DSP或FPGA來完成，系統設計也將從過去的PCB板設計過渡到VLSI與UVLSI (甚大規模集成電路)芯片的設計。與此同時，由于DSP和FPGA技術的大量采用，數字圖像處理就硬件結構方面也發生了重大變化，它已由基本的串行結構發展成平行處理結構，由單片DSP或FPGA處理器發展成多DSP或FPGA處理器系統，或帶陣列DSP和FPGA的高速處理系統。隨著社會和經濟的發展， 以及人們對數字圖像處理系統實時性的要求也越來越高，基于DSP和FPGA的數字圖像處理系統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分布式的算法結構，這一點對實現汽車電子中的高速數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，而這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術結構，FPGA可以有效地實現乘和累加操作。另一方面，需要的大量的復雜的數學運算，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；在數據傳輸方面，在汽車電子系統中由聲音信號數字化所產生的大量數據，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，利用經典和現代控制理論而建立的開環、死循環、最優、自適應控制系統來實現汽車的最優化控制。建立這些控制系統首先對汽車某個系統，如點火提前角優化控制系統進行識別，建立該系統的數學模型，然后采用相應的控制方法進行優化控制。但是發動機本身結構比較復雜，影響點火的因素較多，理論推導優化點火狀態下的數學模型比較困難。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，系統實時地檢測發動機的工況（如發動機轉速、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，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，光柵檢測器用來測定轉向角等等。而DSP和FPGA的出現和發展應用，已使各系統控制走向集中，形成整車的智能控制系統。

　　“智能交通系統”作為未來汽車和交通行業共同的追求方向，它將包括智能公路和智能汽車系統。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。智能交通系統能根據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的反饋控制處理，往往是采用DSP或FPGA來實現的。

　　4 　發展展望

　　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發展的重要動力源泉。DSP和FPGA的出現給汽車產品和汽車電子技術帶來了革命性的變化，世界汽車工業的DSP和FPGA用量激增，由從前單片DSP或FPGA處理器發展成多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這種兼容。伴隨著未來汽車電子技術的不斷發展，DSP和FPGA的速度將會不斷提高。就DSP而言，目前發展很快，主要的趨勢有：在單片DSP中實現多個MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線和數據總線、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的研究還不夠深入。汽車制動防抱死系統、安全氣囊、自動變速器和柴油機電控系統等僅在部分高校和企業進行了探索性研究，并未進入實用階段。以汽車電子技術為代表的高新技術，正是我國汽車工業發展的“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能、環保、安全為重點，力爭盡快掌握它們的核心技術，縮小與發達國家的差距，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。