1、DSP 和 FPGA 在汽車電子中的廣泛應(yīng)用DSP和FPGA在汽車電子中的廣泛應(yīng)用類別：?jiǎn)纹瑱C(jī)/DSP1引言20世紀(jì)末，全球范圍內(nèi)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(jī)遇，信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用是解決汽車帶來(lái) 的諸如交通擁擠、交通安全、環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題的最佳途徑。同時(shí)， 隨著汽車電子技術(shù)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(jì) 資料表明，目前，在歐美國(guó)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%的速度快速增長(zhǎng)，特別是數(shù)字 信號(hào)處理器芯片（DSP的用量更是將以每年25%的速度增長(zhǎng)。估計(jì)到2005年，汽車電子組

2、件的市場(chǎng)規(guī)模，將達(dá)到170億美元。由此可見(jiàn)，電子化、集成 化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、小型化和個(gè)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(shì)。本文僅集中探討汽車電子中基于DSP和FPGA的數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)。DSP和FPGA技術(shù)在許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，在汽車電子領(lǐng)域也 有它廣泛的應(yīng)用舞臺(tái)。由于具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，使其對(duì)話音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為 可能；由于它是通過(guò)面向芯片結(jié)構(gòu)指令的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的，因而僅修 改軟件而不需改硬件平臺(tái)就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的，因而使用范圍 廣、產(chǎn)量大、價(jià)格可以降到很低。所以

3、，DSP和FPGA在汽車電子系統(tǒng)中大量應(yīng)用，將會(huì)極大地促進(jìn)汽車電子技術(shù)的發(fā)展。2 DSP和FPGA在汽車電子中的應(yīng)用比較DSP作為可編程超大規(guī)模集成電路（VLSI）器件，是通過(guò)可下載的 軟件或固件來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展算法和數(shù)字信號(hào)處理功能的，其最典型的用途是實(shí)現(xiàn)FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構(gòu)造單元是被稱為MACK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(shí)間可以跟硬件的算術(shù)周期 時(shí)間相同。此外，DSP芯片還有若干個(gè)獨(dú)立的片內(nèi)存儲(chǔ)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(shí)鐘中斷電路等。 為滿足無(wú)線便攜式器件無(wú)電保存數(shù)據(jù)的要求，DSP芯

4、片還采用了諸如閃速存儲(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)器等技術(shù)。當(dāng)前，大多數(shù)的DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，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(shí)進(jìn)行，提高了處理 效率。另外還采用了流水線技術(shù)，將取指、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟的指令時(shí)間 可以重迭起來(lái)，大大提運(yùn)算速度。FPGA指的是現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復(fù)路器等組成。這樣，只要正確地設(shè)置了其中的 數(shù)據(jù)，查找表就能夠通過(guò)對(duì)中的數(shù)據(jù)的讀取而實(shí)現(xiàn)輸入的任意布爾函數(shù)。觸發(fā) 發(fā)器則用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息。復(fù)路器可以選擇不同的輸入 信號(hào)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(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)

5、不 同的組合邏輯和時(shí)序邏輯。由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。由 于FPG/器件實(shí)現(xiàn)的各功能塊可以同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)指令級(jí)、比特級(jí)、流水線 級(jí)甚至是任務(wù)級(jí)的并行執(zhí)行，從而大大地加快了計(jì)算速度。由FPG/實(shí)現(xiàn)的計(jì)算系統(tǒng)可以達(dá)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(dòng)態(tài)地配置，系統(tǒng)的硅片面積不再是所支持無(wú)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)PG外集成一個(gè)支持所有標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。不過(guò)，由于現(xiàn)有的FPGA勺開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗(yàn)證而設(shè)計(jì)的，導(dǎo)致這些開發(fā)系統(tǒng)在 節(jié)省工程開發(fā)時(shí)間上效率非

6、常高，而在FPGAS源的利用效率方面卻比較差。HDL語(yǔ)言可大大提高設(shè)計(jì)能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設(shè)計(jì)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(yīng)用 提到汽車電子的數(shù)字化，不能不想到目前無(wú)線通信很看好的軟件 無(wú)線電技術(shù)， 盡管它是針對(duì)無(wú)線通信的， 但軟件無(wú)線電所要實(shí)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(biāo)卻是殊路同歸的。因此，有必要提及 和采用這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思路和思想。軟件無(wú)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(dāng)今計(jì)算技術(shù)、超大規(guī)模集成 電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無(wú)

7、線通信中應(yīng)用的產(chǎn)物；它所追求的基本思想和目 標(biāo)是：構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將多種功能， 如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完 成，以實(shí)現(xiàn)具有高度靈活性，開放性的通信產(chǎn)品。因此，對(duì)于汽車電子數(shù)字化 產(chǎn)品的研究，完全可以吸取軟件無(wú)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(jié)構(gòu)的束縛；第二，并不是不要硬件；第三，汽車電子產(chǎn)品應(yīng)該 具有開放性和兼容性，開放是指對(duì)使用的開放、對(duì)生產(chǎn)的開放和對(duì)研制的開 放。下面，就基于軟件無(wú)線電的思想探討DSP和FPGA在汽車電子中的主要應(yīng) 用。3.1基于DSP和FPGA勺車用語(yǔ)音信號(hào)處理 汽車電子產(chǎn)品中的

8、語(yǔ)音處理主要涉及到語(yǔ)音的數(shù)字化處理、語(yǔ)音 編解碼、語(yǔ)音壓縮和語(yǔ)音識(shí)別。國(guó)外比較熱門的汽車電子產(chǎn)品之一就是語(yǔ)音識(shí) 別系統(tǒng)， 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用前景， 包括聲控電話、 語(yǔ)音操作導(dǎo)航、聲控選擇廣播頻道、防盜語(yǔ)音鑒別等。例如，一種基于隱式馬可夫模型（HMM）的與講話人無(wú)關(guān)、100條指令識(shí)別的應(yīng)用，由文獻(xiàn)可知，那幺聲學(xué)HMM模型的大小將為。進(jìn)行包括輸入語(yǔ)音采樣的細(xì)分/開窗、MFC提取、概率計(jì)算和Viterbi搜尋等適時(shí)處理，對(duì)DSP的運(yùn)算量要求一般為10000萬(wàn)次乘加（MAC運(yùn)算。對(duì)于連續(xù)語(yǔ)音信號(hào)的識(shí)別，則要求更好的數(shù)字信號(hào)處理速度和更大的存 儲(chǔ)空間。由于語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)要對(duì)聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和采樣，

9、需要大量的運(yùn) 算，如果以它們20%勺計(jì)算資源分配用于1000萬(wàn)次MACS音識(shí)別應(yīng)用，那么需 要處理器能夠具有5000萬(wàn)次MAC勺能力。因此，必須采用DSP和FPGA才能完 成其任務(wù)。DSF和FPGA勺處理速度對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性和性能起 著決定性作用，高速DSP和FPGA勺實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)聲道自適應(yīng)和聲域自適應(yīng)等現(xiàn)代 語(yǔ)音處理和識(shí)別技術(shù)。從理論上講，DSP和FPGA處理速度越快，汽車語(yǔ)音處理 和識(shí)別產(chǎn)品的應(yīng)用性能就越好。隨著應(yīng)用日益多樣化，DSP和FPGA寅變成不再是一塊獨(dú)立的芯片，而變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計(jì)師能選擇合適的內(nèi)核和專用邏輯“膠結(jié)”在一起形成專用DSP和FPGA方案，以滿足信

10、號(hào)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DSF和FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音合成，糾錯(cuò)編碼。而語(yǔ)音合成、語(yǔ)音壓縮與編碼是DSF最早和最廣泛的應(yīng)用，矢量編碼器用于將語(yǔ)音信號(hào)壓縮到有限帶寬的信道中。3.2基于DSP和FPGA勺車用圖像信號(hào)處理 數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)已是一門較為成熟的二維信號(hào)處理技 術(shù)， 現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于通信、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)和軍事等各個(gè)方面，當(dāng)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(yùn)動(dòng)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

11、置坐標(biāo)信息，還需傳送自己所處 環(huán)境的圖像信息，例如救護(hù)傷員的現(xiàn)場(chǎng)圖景、緊急救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像等。同時(shí)，各 個(gè)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(jìn)行圖像信號(hào)的處 理。對(duì)于這種汽車運(yùn)動(dòng)圖像，主要特點(diǎn)是：第一，多速率壓縮。由于無(wú)線信道 的時(shí)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(huì)不斷的變化；相應(yīng) 地，需要采用多速率壓縮方式，靈活地適應(yīng)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(yīng)傳輸帶寬的要求。第三，運(yùn)動(dòng)圖像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)圖像由 于它本身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)有多普勒頻移問(wèn)題。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的汽車來(lái)說(shuō)，這種

12、頻移往往是不能忽視，必須對(duì)所獲圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。近年來(lái)， 隨著微電子技術(shù)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(guò)去的一個(gè)機(jī)箱、甚至一個(gè)機(jī)柜的信號(hào)處理系統(tǒng)，現(xiàn)在完全 可以由單片的DSP或FPGA來(lái)完成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也將從過(guò)去的PCB板設(shè)計(jì)過(guò)渡到VLSI與UVLSI （甚大規(guī)模集成電路）芯片的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，由于DSP和FPGA技術(shù)的大量采用，數(shù)字圖像處理就硬件結(jié)構(gòu)方面也發(fā)生了重大變化， 它已由基 本的串行結(jié)構(gòu)發(fā)展成平行處理結(jié)構(gòu)， 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勺高速處理系統(tǒng)。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的 發(fā)展，以及人們對(duì)數(shù)字圖像處理

13、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求也越來(lái)越高，基于DSP和FPGA勺數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在汽車電子產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣，例如車載會(huì)議電視、車載可視電話、車載機(jī)器視覺(jué)等。3.3基于DSP和FPGA勺車用自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理FPGA勺時(shí)鐘延遲可以達(dá)到納秒級(jí)，結(jié)合DSP和FPGA勺并行處理 方式，因此DSP和FPGA非常適合超高速和實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域。如前所述，由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn) 汽車電子中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。因?yàn)槠囯娮赢a(chǎn)品中通常都需要大 量的濾波運(yùn)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(guò)分布式 的算術(shù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PG柯以有效地實(shí)現(xiàn)乘和累加操作。

14、另一方面，需要的大量的復(fù) 雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來(lái)完成的。在汽車電子產(chǎn) 品中，對(duì)產(chǎn)品的大小、重量、功耗特別關(guān)注；在數(shù)據(jù)傳輸方面，在汽車電子系 統(tǒng)中由聲音信號(hào)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(lái)減少存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的要求，需要對(duì)視頻信號(hào)與音頻信號(hào)的編碼、解碼、彩色 空間轉(zhuǎn)換、回音消除、濾波、誤碼校正、復(fù)用、比特流協(xié)議處理等任務(wù)進(jìn)行自 適應(yīng)實(shí)時(shí)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(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)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(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的最優(yōu)化 控制。建立這些控制系統(tǒng)首先對(duì)汽車

15、某個(gè)系統(tǒng)，如點(diǎn)火提前角優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn) 行識(shí)別，建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后采用相應(yīng)的控制方法進(jìn)行優(yōu)化控制。但 是發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響點(diǎn)火的因素較多，理論推導(dǎo)優(yōu)化點(diǎn)火狀態(tài)下 的數(shù)學(xué)模型比較困難。因此，一般采用實(shí)驗(yàn)的方法找出各種工況下的最佳點(diǎn)火 提前角，然后存入基于DSP和FPGA或DSP和FPGA車列加大容量外部存儲(chǔ)器 中；這樣可以避免使用計(jì)算機(jī)。在控制過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況 （如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等），用查表的方法，查出該工況下的最佳點(diǎn)火提前 角，進(jìn)行修正后再去控制點(diǎn)火。這比傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的控制方法，一方面， 大大地減少了體積；另一方面，更具有實(shí)時(shí)性、靈活性。懸架電子控制，是

16、指 計(jì)算機(jī)檢測(cè)到轉(zhuǎn)向和制動(dòng)狀況的信號(hào)后，能自適應(yīng)地處理車輛的側(cè)傾、前后 仰，并自動(dòng)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(lái)控制車身高度，空氣彈簧用來(lái)調(diào)整彈性系統(tǒng)，光 柵檢測(cè)器用來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)向角等等。而DSP和FPGA勺出現(xiàn)和發(fā)展應(yīng)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(lái)汽車和交通行業(yè)共同勺追求方向，它 將包括智能公路和智能汽車系統(tǒng)。它結(jié)合先進(jìn)得公路信息處理技術(shù)和雷達(dá)防撞 技術(shù)，將公路和汽車連為一個(gè)整體，可以極大地提高汽車流量，大幅度地降低 交通事故勺發(fā)生率。因此，汽車智能化相關(guān)勺產(chǎn)品已受到汽車制造商們勺高度 重

17、視。智能交通系統(tǒng)能根據(jù)駕駛員提供勺目標(biāo)資料，向駕駛員提供距離最短，而且能繞開車輛密度相對(duì)集中處勺最佳行駛路線。“安全第一”永遠(yuǎn)是用戶購(gòu) 車勺第一選擇，目前研究比較熱勺車用毫米波自適應(yīng)防撞雷達(dá)，就是為解決高 速公路上勺由于撞車而造成勺大量交通事故而研制勺。由于在高速公路汽車間 勺相對(duì)速度都很高，而對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)頻差勺提取是必須實(shí)時(shí)地。因而，對(duì)于 對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)頻差勺提取和處理，以及自適應(yīng)防撞控制系統(tǒng)勺反饋控制處 理，往往是采用DSP或FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4發(fā)展展望 縱觀近幾十年來(lái)汽車技術(shù)的重大成就，大都是在應(yīng)用電子技術(shù)上 進(jìn)行的突破，電子技術(shù)已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿υ慈SP和FPGA勺出現(xiàn)

18、給汽車產(chǎn)品和汽車電子技術(shù)帶來(lái)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車列的高速處理器。基于DSP和FPGA勺汽車電子產(chǎn)品能夠滿足 未來(lái)的汽車發(fā)展的需要，并且，在多種車型并存的時(shí)代里，由以DSP和FPGA為核心所構(gòu)建的通用硬件平臺(tái)，可以通過(guò)不同的軟件加載的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這種兼 容。伴隨著未來(lái)汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，DSF和FPGA勺速度將會(huì)不斷提高。就DSP而言，目前發(fā)展很快，主要的趨勢(shì)有：在單片DSP中實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(jié)構(gòu)上，采用SIMD以及MIMD采用超長(zhǎng)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(wàn)門以上的產(chǎn)品，并 且集成了一些新的功能，如System on Chip，Programmi