用于辅助驾驶系统的可编程平台的开发和应用

      安全性是汽车消费者最关心的问题了。图1给出了Visteon进行的一项研究结果，图中显示出客户对汽车的要求，而车辆安全性位于核心。对于汽车安全性的关注不仅仅是为了司机和乘客，还有道路上的其他人。安全设备已经从物理领域转向电子领域，从轮胎和刹车技术的进步，到侧撞保护和安全气囊，直到今天的辅助驾驶系统。最新的汽车采用了大量的电子技术和传感器，不断监测和评估周围的环境、为司机显示相关信息，并且在某些情况下，甚至接管车辆的控制。在提高汽车安全性、舒适性和驾驶效率方面，这些电子系统起着重要的作用。

　　辅助驾驶系统可提供基本的安全功能，如增加红外（IR）相机来提高观察能力。更为先进的设计还可利用范围广泛的传感器来提醒潜在的危险情况，从而使车辆可意识到周围的交通情况、车道和行驶方向以及可能的碰撞目标。最终的目标是车辆能够自动对这种信息做出反应，为司机提供信息以及特殊情况下的车辆控制能力，从而可保证乘客的安全。例如，有些最新的卡车中安装了视频摄像机来监视前面的道路情况。如果车辆在没有使用指示灯的情况下改变行驶路径，比如可能是由于司机太疲劳了，那么系统就会通过车内的扬声器给出声音告警。

　　通过消除繁琐的驾驶动作，辅助驾驶还可提供更高的舒适水平。例如，传统的巡航控制允许司机设定一个固定的行驶速度，同时在需要时可手动控制。而现在的汽车则提供自动巡航控制（ACC）功能，可以自动控制油门和刹车来适应前面车辆的速度，从而与其保持安全距离。如果前面的车辆加速开走或改变行驶路径，ACC会自动返回传统巡航控制的预设速度。

　　辅助驾驶系统还有希望利用所谓的“电子牵引装置”来提高交通效率。例如，车队的领头卡车由司机手动驾驶，但后随的卡车则自动驾驶。除了减轻司机的许多负担以外，卡车间的距离也可大大缩短，因为电子响应速度更为迅速。这样不仅可节约完整的道路面积空间，而且由于前面车辆的后向气流的影响，还要节约燃料。

　　另一种新兴的安全技术称为“被动式乘员识别系统”。美国政府要求从2006年开始的所有新款汽车都必须能够根据乘员的体型来打开气囊。此类系统使得保护气囊能够“智能”打开或收缩。这种基于乘员体重的系统将可帮助汽车制造商满足最近公布的《美国联邦车辆标准安全法规》FMVSS-208的要求。该法规要求气囊必须能够针对不同乘员的体重更为有效地打开。从2004年开始，每家汽车制造商在美国销售的车辆中有35%必须装备先进的气囊系统，这一数字到2006 年将提高到接近100%。较为简单的系统采用安装在乘员座垫下的体重传感器技术来实现。高级乘员识别算法和快速信号处理使汽车气囊控制器可根据不同的情况来打开或收缩乘员气囊，从而可大大提高乘员安全性并降低修理成本。更为高级的系统则采用安装在车内的相机来检测和识别乘员，同时在算法上考虑到乘员调试及离气囊的距离来判断事故发生时气囊打开的时间、速度和程度。

　　Xilinx FPGA在辅助驾驶系统中的应用

　　图2给出了赛灵思现场可编程门阵列（FPGA）应用于ACC辅助驾驶系统的一个概念性框图。

　　系统划分为超高速输入处理和相对低速的传感器输入和输出控制信息，每个部分都在相应处理器（例如，一个Xilinx MicroBlaze 32嵌入式软内核处理器或者Virtex-II Pro FPGA中嵌入的IBM PowerPC）的控制之下。高速部分专用于对安装在车辆前面的视频摄像信息进行实时处理。由于应用（防碰撞、紧急处理和告警）本身的特点，实时处理绝对是非常关键的。通常需要两个或更多相机来获得立体图像，这样就可以在FPGA中计算出图像的深度（直接与前面物体的实际距离相关）。结合雷达和激光测量，以及来自陀螺仪和车轮传感器的运动检测信息，可以相当准确地计算出车辆周围的情况和行驶路线。利用完全灵活的FPGA来代替成品视频组件，设备制造商可容易地开发出区别于竞争厂商系统性能的、独特的、优化的边缘检测、图像深度和增强算法。实时捕捉并处理这些信息需要使用计算密集的数字信号处理（DSP）算法。然而，软件处理无法满足性能要求；尽管传统DSP处理器也是一种选择，但通常需要多片器件才能完成如此高速的任务。甚至ASSP视频处理器也无法与 Xilinx FPGA（也称为XtremeDSP处理）的极高速DSP性能相比。在视频处理完以后，决策树机制可以划分为针对紧急算法（如紧急的防碰撞过程）的硬件部分，以及用于行驶路径偏差等的声音告警的处理器软件部分。将速度关键的处理过程划分到FPGA硬件中还可以对实时速度进行测试，而这对于软件是不可能的。

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      XtremeDSP 实时图像处理

　　那么为什么Xilinx FPGA能够提供比传统DSP更快的视频处理性能呢？最根本的原因是由于FPGA结构能够实现数据的并行处理。来自Xilinx的最新Vir tex- Pro系列器件还集成有嵌入式高性能乘法器模块阵列，可以进一步提高图像处理的能力。与此相对比，DSP处理器顺序执行指令和数据，并且以串行方式处理他们。因此FPGA可配置为能够并行执行多个操作（在单个时钟周期内）的乘法累加（MAC）单元阵列，而不是像传统的DSP中那样需要多个时钟周期才能在一个或少量MAC单元中执行完毕。

　　Xilinx FPGA还具有可利用准确的MAC阵列来满足计算要求的额外优点。这些特性对于完成图像计算非常理想。这样就可对图像中的多个像素簇（如离散余弦变换（DCT）的宏块）进行并行计算，而不必依序扫描整个图像。FPGA性能的提高还带来更多额外好处，例如，缓冲像素值所需要的存储器数量可更小，因为现在可实时处理。

　　除了实时性能以外，Xilinx FPGA的可重编程能力还提供了优异的系统灵活性，支持算法升级（即使在部署以后）。这一点非常重要，因为目前的辅助驾驶系统仍然处于早期研发阶段。随着边沿和目标检测算法的不断改进，可在数分钟中内完成硬件升级，而且不需要重新设计电路板。

　　利用可编程外设桥接汽车网络

　　随着汽车中演化出真正小型网络，设备制造商必须确定在众多的网络协议中哪种标准将是最成功的，或者哪些标准能够为自己带来最大的好处。不同的网络技术被用来满足汽车中的不同需要，从驾驶舱内的多媒体范围（面向多媒体的系统传输，MOST）直到汽车控制网络（如FlexRay）。图2中选择了一种预验证的控制区域网络（CAN）接口内核作为例子。

　　可应用于车内的一种此类新兴网络协议就是蓝牙。蓝牙无线技术是一种用于移动设备和WAN/LAN接入点的低成本、低功耗的短距离射频技术。这种源于计算和电信行业的标准描述了手机、计算机和PDA等设备之间如何利用一种短距离无线连接实现方便的互连。

　　例如，驾驶员可以利用蓝牙无绳耳机与口袋中的手机通信。因此可避免司机分心并提高了安全性。汽车工业成立了一个特殊兴趣组（SIG）来定义蓝牙汽车标准。该特殊兴趣组的成员包括汽车多媒体接口协作组织(AMIC)、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、福特、通用汽车、丰田汽车以及大众汽车有限公司等。蓝牙在汽车中应用的一个例子Johnson Controls公司的免提手机系统“BlueConnect”，该系统允许司机在双手扶住方向盘的情况下通过支持蓝牙功能的手机保持联系。

　　然而，蓝牙器件的长期支持还存在问题，同时车内环境噪声对于蓝牙设备工作的影响也需要认真考虑。轿车和其他车辆的寿命要比消费类产品或手机长得多，因此芯片制造商必须解决由此而带来的支持和服务生命期不匹配的问题。然而，最近在底特律举办的Convergence 2002展会上，克莱斯勒集团展出了应用了蓝牙技术的汽车。

　　与采用ASSP相比，采用FPGA的最大好处之一是允许工程师设计出精确匹配系统要求的接口和外设。在开发的早期阶段试图连接到不同的汽车网络时，这一点特别有用。当试图快速将产品推向市场时，芯片组或ASIC重新设计即成本昂贵又耗费时间。在标准实现的早期，如果网络协议规格有所变化，为了支持最新的版本，在使用FPGA的设计时只需要简单地修改软件，然后再重新下载FPGA硬件配置就可以了。甚至还要以利用Xilinx IRL（因特网可重配置逻辑）通过广域网来完成这一点，因此不需要成本高昂的派工费用或额外的人力就可以通过远程维护完成硬件修改。

　　针对汽车应用的Xilinx IQ解决方案

　　为满足汽车电子设备设计人员的需要，赛灵思（Xilinx）公司推出了一系列支持扩展工业温度范围的新器件。称为“IQ”范围的这些新器件包括Xilinx 目前符合扩展温度级（Q）要求的现有工业级（I）FPGA和CPLD（表1）。符合新的IQ温度范围要求的第一批器件是密度范围从5K门至3K门的 Spartan-XL 3.3V FPGA，以及36和72宏单元的XC9500XL 3.3V CPLD。在未来的几个月时间里，IQ温度范围器件将会扩展包括密度高达30万门的FPGA器件，以及密度高达512个宏单元的CPLD器件，如表2所示。

　　结论

　　辅助驾驶系统的开发和应用需要高性能图像处理，同时又不希望牺牲在目标检测和汽车网络技术研发的早期阶段所需要的灵活性。采用Xilinx FPGA作为此类系统的核心为业界提供了最佳的DSP性能和无与伦比的网络连接标准支持能力，同时为系统设计师提供了一个完全灵活的设计平台。通过可实时工作的此类系统，为驾驶人员提供紧急驾驶告警或辅助车辆控制功能就成为可能，从而可大大提高车辆驾驶和乘座的安全性。