基于FPGA的汽车电子设计

发布者:温柔心情最新更新时间:2012-01-19 来源: 国外电子元器件关键字:FPGA  汽车电子 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

1 引言
    随着数字技术的进步,汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展,越来越多的电子技术应用到汽车系统,汽车电子化的程度是衡量现代汽车水平的重要标志,是开发新车型、改进汽车性能最重要的技术措施。据统计,当前汽车上的电子装置成本占整车成本的约30%,在一些高档轿车上达到60%,而且汽车中约70%的创新来源于汽车电子技术。以前,汽车工程师一直依赖MCU(微控制器)和ASIC(专用集成电路)产品设计汽车电子系统,但随着系统越来越复杂,部件数目越来越多,产品快速推向市场的压力变大,性能的要求逐渐提高,同时,价格要合理,设计风险要低,这些是 MCU和ASIC所难以实现的。而FPGA能提供更高的性能和更多的功能,成本更低、风险更小、灵活性更高,而且在设计后期更易变更,甚至可对己经投入应用的产品进行升级,因此FPGA将成为未来汽车电子设计的理想解决方案。

2 FPGA简介
    现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray),是PAL、GAL、CPLD等可编程器件发展的产物,是专用集成电路领域中的一种半定制电路。其内部由可配置逻辑模块CLB (Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Outout Block)和内部连线(Interconnect)3部分构成,具有小型化、低功耗、多功能、数字化、标准化、系列化、集成度高、保密性好、可无限次反复编程、并有现场模拟调试验证的特点。Altera和Xilinx采用RAM工艺生产一般用途FPGA;Actel则基于反熔丝工艺和Flash工艺提供非易失性FPGA。

3 FPGA在汽车电子设计中的应用
    基于FPGA这些特点,国内外对其在汽车电子设计方面的应用研究也越来越多。国外某公司已开始在其引擎控制系统设计中引入FPGA器件。而国内也出现了不少基于FPGA的汽车电子设计,例如基于FPGA的ABS系统设计,汽车电子后视镜系统设计,基于Nios II的CAN总线通信系统设计,基于GSM/GPS的汽车防盗系统和基于SoPC的汽车仪表系统设计等。FPGA的并行处理方式具有很高的处理速度,广泛应用于汽车音视频处理。随着汽车的信息娱乐系统功能越来越多,例如GPS导航系统,影音视频播放功能,倒车影像系统,车载电视功能,FM收音机,MP3播放功能等,这就要求系统具有较高的音频和图形处理能力,需大量计算并通过高端处理器和DSP实现,但系统成本、复杂度和功耗都很高。汽车语音处理模块主要涉及到语音的数字化处理、语音编解码、语音压缩和语音识别等技术。特别是语音识别系统要实时处理和采样声音,但采用上述方法实现成本很高,这对于对成本敏感的汽车行业并不可取,而FPGA能很好解决这些问题,因为它可在一个时钟周期中处理多条指令,实现并行计算,计算能力高,能够完成视频和音频的处理任务。此外,FPGA在车载数据采集和对电子控制单元(ECU)的硬件在环(HIL)仿真等汽车测试方面也有相应应用。[page]

    其次在系统设计方面能体现其高灵活性,高集成度,高性能,开发周期短的特点。例如采用Ahera的FPGA设计系统,通过在SoPC Builder中调用相应IP核就可控制SDRAM,Flash等存储器和多种汽车常用接口,实现单器件与各个模块的硬件电路连接和控制。从而大大提高系统的集成度和开发效率。此外,由于音、视频处理要求FPGA具有较高的计算处理能力,Ahera具有支持多CPU的FPGA器件,即支持多Nios II软核处理器,从而把音、视频处理等需高处理速度的模块从主CPU中分离出来,减轻主CPU的处理负担,增强系统的稳定性,节约成本。

4 基于FPGA的汽车电子设计
4.1 系统设计
    系统FPGA器件选用Ahera公司的 Cyclone II系列的EP2C35F672C8N,该系统设计实现密码锁和指纹识别、GPS导航、GSM通信、汽车防盗自动报警、倒车影像和车内摄像、收音机、车载电视、USB数据传输等功能,除此之外还设置CAN总线控制器接口,便于后续系统开发。该系统设计采用可编程的片上系统SoPC(System On Programmable Chip)技术将处理器、存储器、I/O口等模块集成到一个可编程器件,构成一个可编程的片上系统。用这种方式设计的系统在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优。使用Quartus II SoPCBuilder和Nios II IDE 3个软件组合完成系统设计和调试。设计过程中,对于相对简单的控制(如密码锁模块)可直接在Quartus II编写Verilog代码,仿真优化,引脚分配最后生成模块;对于相对复杂的模块控制,在Quartus II中建立工程,然后打开Sopc Builder组建系统,图1为采用SoPC Builder搭建的硬件系统原理图。系统组建完毕进行地址分配和系统仿真,最后生成系统模块,然后在Nios II IDE环境下进行系统编程完成系统软件开发,最后在Quartus II中连线并分配引脚,仿真,测试,编译生成下载文件,通过JTAG接口下载到FPGA器件,完成系统开发。

4.2 系统模块设计
4.2.1 密码锁和指纹识别
    这两个模块主要用于加强汽车的防盗安全系数。两模块可同时启用,也可单独启用,当单独通过其中之一验证,不能对系统做任何更改,只有两模块同时通过验证才能对此系统设置。
    密码锁模块采用0~9中的任意6个数字作为系统密码,模块设计原理如图2所示。此模块主要包括键盘。密码验证和结果输出。其中键盘通过在Quartus II环境下采用Verilog语言编程实现,其程序由时钟分频、键盘扫描和键译码转换组成。而密码验证和结果输出两模块当用户通过键盘输入密码时,在 LCD上以“*”显示密码以及输出结果,完全通过Verilog编程实现。

    图3为指纹识别模块设计原理图。通过指纹采集模块采集指纹,把数据通过串口输入到FPGA器件进行图像预处理,转换成具有一定灰度级的数字图像,然后提取特征点。与指纹库指纹图像相对比,最后输出对比结果。该模块采用Nios II处理器设计实现。

4.2.2 GPS导航模块
    构建GPS导航系统需GPS天线、接收模块、存储器、处理器、相应的控制按键和地图LCD显示设备。为了提高开发周期,系统直接采用GARMIN公司的GPS25 OEM开发板,它与FPGA开发板的连接电路如图4所示。

    此GPS模块经MAX232器件转换串口信号电平,然后连接到开发板的串口,实现硬件系统的搭建。系统软件设计是在NiosIDE环境下用C编程读取 GPS信息,提取GPS坐标信息并导入到存入存储器中的地图软件,通过LCD控制模块在LCD中显示导航图像。从而实现GPS导航模块设计。

[page]

4.2.3 GSM通信模块
    系统要求高稳定性,高抗干扰性能.故选用西门子TC35i模块搭建GSM Modem电路(GPRS模块+SIM卡+电源变换+RS232接口),如图5所示。直接将GSM Modem模块通过串口连接到FPGA,然后通过程序设计,通过FPGA开发板串口发送AT指令,从而控制GSM模块。

4.2.4 车载防盗系统
    车载信息装置安装有GPS定位设备和GSM通信设备,因而可实时监控车辆。将GPS从车载信息装置中分离,与GPRS一起放置于隐蔽之处,配有独立电源。发现汽车被盗后,可通过手机或网络向GSM模块发送短信指令,把GPS模块确定的汽车实时坐标和车辆内部摄像头捕获图像通过GSM模块连接的GPRS网络发送给用户,对于无法接收到GPS信号的地方,则需通过移动公司的GSM定位确定汽车大致位置。还可通过给GSM模块发送指令,进而控制继电器.进而控制汽车发动机,供油系统,点火系统等设备,有利于控制车辆并能及时找到失盗车辆,减少损失。
4.2.5 其他模块设计
    该系统的收音机模块采用TEA5768HL器件,车载电视模块采用飞利浦的视频电子调谐器,而CAN总线控制器则采用SJA1000主控器件和AS2C250辅助器件搭建端口。由此可见,只需将GSM、GPS、指纹、摄像头等模块通过串口、 USB口等接口连接到由FPGA器件和相应外同电路搭建的开发板,即可完成硬件系统的组建。软件系统程序利用Altera公司提供的很多外设控制IP核,设计者不必从零编写所有外设的控制程序,这样可提高设计效率,缩短开发周期。

5 结束语
    FPGA实现汽车电子的多模块集中控制,增强汽车电子设计的灵活性,缩短开发周期,降低成本,缩小电子系统在车内所占用空间,同时提高了系统的稳定性和易维护性,方便系统升级。因此在未来汽车电子设计中FPGA必将有突出表现。

 

 

关键字:FPGA  汽车电子 引用地址:基于FPGA的汽车电子设计

上一篇:汽车高强度放电灯电子镇流器工作原理
下一篇:基于GPRS和GPS的汽车防盗系统设计

推荐阅读最新更新时间:2024-05-02 21:51

基于MicroBlaze软核的FPGA片上系统设计
摘要:分析软处理器MicroBlaze的体系结构,给出MicroBlaze内核在软件无线电系统中的应用,实现SOPC(可编程系统芯片)。 关键词:FPGA IP Core SOPC MicroBlaze CoreConnect 软处理器 软件无线电 Xilinx公司的MicroBlaze 32位软处理器核是支持CoreConnect总线的标准外设集合。MicroBlaze处理器运行在150MHz时钟下,可提供125 D-MIPS的性能,非常适合设计针对网络、电信、数据通信和消费市场的复杂嵌入式系统。 1 MicroBlaze的体系结构 MicroBlaze 是基于Xilinx公司FPGA的微处理器IP核,和其它外设IP核
[半导体设计/制造]
Altera Q4在台积电加工28纳米的FPGA芯片
  按台湾经济新闻报道,为了满足Altera的FPGA芯片,台积电计划年底推出28nm CMOS工艺量产。   台积电为了与竞争对手Global Foundries及UMC的竞争,计划在它新竹科学园区的Fab 12中进行小批量的28nm工艺生产。   今年2月及4月Altera己宣布若干创新计划,包括引入28nm工艺在它的Stratix V生产线中,及部分重新配置,与28Gbps接受器的硬IP模块。   十分可喜,同样可利用它的高功能的28 CMOS工艺在另一个客户Xilinx中,而Xilinx主要侧重在28nm低功耗,两者均为台积电的主要客户。
[嵌入式]
搭配高阶演算法 FPGA加速抢进逆变器
  随着逆变器转向三级拓扑架构,系统控制难度也大幅提高,因此欧美逆变器大厂已开始改搭系统单晶片现场可编程闸阵列(SoC FPGA),从而导入更先进的数位演算法,进一步提高系统即时控制能力与电源管理效率。   Altera亚太区工业市场开发经理江允贵表示,以往逆变器控制方案大多以微控制器(MCU)或数位讯号处理器(DSP)为核心,整合周边介面与电源管理零组件组成特定应用积体电路(ASIC);然而,随着太阳能系统与智慧电网整并速度加快,加上逆变器拓扑结构与功率半导体的开关控制复杂度加剧,全球主要逆变器业者已研拟转搭SoC FPGA,以提升能源管理效率,并透过软体编程快速满足各国智慧能源系统发展的不同需求。   据悉,欧美逆变器大厂已
[电源管理]
搭配高阶演算法 <font color='red'>FPGA</font>加速抢进逆变器
汽车电子传感器发展趋势及市场规模前景分析
汽车传感器 类型和发展路径 1、 传感器 是汽车的眼睛,ADAS和自动驾驶必不可少的元件 汽车在向高级辅助驾驶、自动驾驶演进过程中,机器的自动/辅助驾驶功能逐渐替代人的主动性,完成环境感知、计算分析、控制执行的一系列程序。 这一系列程序中,首要的是用汽车的眼睛—传感器感知周围的环境。汽车自动/辅助驾驶系统所用到传感器主要包括:微波/毫米波雷达、 超声波传感器 、摄像头、激光雷达。 2、目前主要包括毫米波雷达、摄像头、激光雷达、红外线四类 不同传感器的原理、功能各不相同,在不同的使用场景里发挥各自优势,难以互相替代。 毫米波雷达不受天气情况影响,探测距离远,在车载测距领域性价比最高,但难以识别行人、交通标志等。 摄像头成本
[汽车电子]
2010年FPGA盘点:两巨头在28nm中采用新技术
FPGA可以让产品设计人员自由改写逻辑。由于FPGA无需在写入电路信息时使用掩模,因此与使用ASIC时相比,设备厂商可以大幅削减开发费用。日本国内外设备厂商着眼于此,纷纷开始采用FPGA。 在此背景下,FPGA业界在2010年出现了许多采用28nm级制造工艺的新技术。打头阵的是美国阿尔特拉(Altera)。该公司在2010年2月发布了28nm工艺FPGA产品中使用的最尖端核心技术。此次发布的新技术分别是“EmbeddedHardCopyBlocks”、“部分重构(PartialReconfiguration)”以及“28Gbit/秒收发器”。阿尔特拉表示,随着移动互联网、光纤到户(FibertotheHome)、LTE/
[嵌入式]
FPGA虚拟化技术将成为未来主攻方向
利用FPGA虚拟化突破时空限制 在传统的FPGA开发模型中,使用者通常使用硬件描述语言(HDL)对应用场景进行建模,然后通过特定的FPGA开发工具将硬件模型映射到FPGA上,最终生成可以运行的FPGA映像。 这种开发模式的另外一个主要缺点是,FPGA只能由单一用户开发和使用,而与应用场景、FPGA的产品种类等无关。比如对于一个对资源需求不大、而且不需要连续运行的应用而言,大部分FPGA的硬件资源在大部分时间内都会闲置。很显然,这样很难在时空范围内对FPGA进行充分利用,见下图。 为了提高FPGA的开发效率、更好的利用FPGA的逻辑资源、方便FPGA的大规模部署和应用,需要将FPGA进行一定程度的逻辑抽象,使顶层
[嵌入式]
<font color='red'>FPGA</font>虚拟化技术将成为未来主攻方向
基于FPGA的视频监控时代
视频监控市场及发展趋势 不断升级的安全问题迫使各国政府和机构在监控和安全设备上投入巨资。此外,在图像及视频处理领域的技术创新彻底改变了视频监控行业,这不限于安防,还包括银行、交通、教育、零售、医疗保健,游戏和其他领域。根据ABI Research的预测,整个视频监控市场的收入将从2008年的16亿美元增加到2015年的29亿美元,有9%的复合年增长率。 视频监控已经从模拟标准清晰度摄像机和VCR转变到兆像素的高清摄像机,以及DVR到通过以太网的IP网络摄像机的视频流,到基于云计算的网络视频录像机(NVR)。取代了现场观看,连续记录和通过记录材料的可视化搜索,智能摄像机和录像机目前已能够实施基于事件的录像和报警触发,并通过记
[嵌入式]
基于<font color='red'>FPGA</font>的视频监控时代
新型的FPGA器件将支持多样化AI/ML创新进程
近日举办的GTC大会把人工智能/机器学习(AI/ML)领域中的算力比拼又带到了一个新的高度,这不只是说明了通用图形处理器(GPGPU)时代的来临 ,而是包括GPU、FPGA和NPU等一众数据处理加速器时代的来临,就像GPU以更高的计算密度和能效胜出CPU一样,各种加速器件在不同的AI/ML应用或者细分市场中将各具优势,未来并不是只要贵的而是更需要对的。 此次GTC上新推出的用于AI/ML计算或者大模型的B200芯片有一个显著的特点,它与传统的图形渲染GPU大相径庭并与上一代用于AI/ML计算的GPU很不一样。在其他算力器件品种中也是如此,AI/ML计算尤其是推理应用需要一种专为高带宽工作负载优化的新型FPGA,下面我们以Ach
[嵌入式]
小广播
最新嵌入式文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved