汽车电子中对于DSP和FPGA的广泛应用研究

1 引言 

20世纪末，全球范围内兴起的信息革命浪潮，为汽车工业的突破性发展提供了千载难逢的机遇，信息技术的广泛应用是解决汽车带来的诸如交通拥挤、交通安全、环境污染、能源枯竭等问题的最佳途径。同时，随着汽车电子技术的发展，电子组件所占整车成本的比例也逐步上升。据统计资料表明，目前，在欧美国家生产的汽车上，电子组件已占到汽车总成本的20%～30%，并且，车用电子组件还以每年8.8％的速度快速增长，特别是数字信号处理器芯片（DSP）的用量更是将以每年25％的速度增长。估计到2005年，汽车电子组件的市场规模，将达到170亿美元。由此可见，电子化、集成化、数字化、信息化、网络化、智能化、小型化和个性化已经成为并且还将继续是汽车工业发展的重要趋势。本文仅集中探讨汽车电子中基于DSP和FPGA的数字化应用技术。 

DSP和FPGA技术在许多领域均有广泛的应用，在汽车电子领域也有它广泛的应用舞台。由于具有极强的实时性，使其对话音进行实时处理成为可能；由于它是通过面向芯片结构指令的软件编程来实现其功能的，因而仅修改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功能，具有极大的灵活性；又由于DSP和FPGA芯片并非专门为某种功能设计的，因而使用范围广、产量大、价格可以降到很低。所以，DSP和FPGA在汽车电子系统中大量应用，将会极大地促进汽车电子技术的发展。 

2 DSP和FPGA在汽车电子中的应用比较 

DSP作为可编程超大规模集成电路(VLSI)器件，是通过可下载的软件或固件来实现扩展算法和数字信号处理功能的，其最典型的用途是实现FIR滤波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的构造单元是被称为MAC的乘加器，它通常被集成在数据信道中，这使得指令周期时间可以跟硬件的算术周期时间相同。此外，DSP芯片还有若干个独立的片内存储器、ROM、RAM、并行功能单元、锁相环(PLL)、振荡器、几条8位或16位的总线、时钟中断电路等。为满足无线便携式器件无电保存数据的要求，DSP芯片还采用了诸如闪速存储器、铁电存储器等技术。当前，大多数的DSP芯片采用改进的哈佛结构，即数据总线和地址总线相互分离，使得处理指令和数据可以同时进行，提高了处理效率。另外还采用了流水线技术，将取指、取操作数、执指等步骤的指令时间可以重迭起来，大大提运算速度。 

FPGA 指的是现场可编程门阵列，它的基本功能模块是由n输入的查找表，存储数据的触发器和复路器等组成。这样，只要正确地设置了其中的数据，查找表就能够通过对中的数据的读取而实现输入的任意布尔函数。触发发器则用来存储数据，如有限状态机的状态信息。复路器可以选择不同的输入信号的组合，将查找表和触发器用可编程的布线资源连接起来，就可以实现不同的组合逻辑和时序逻辑。由于FPGA内部结构的特点，它可以很容易的实现分布式的算法结构，这一点对实现汽车电子中的高速数字信号处理十分有利。由于FPGA器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、流水线级甚至是任务级的并行执行，从而大大地加快了计算速度。由FPGA实现的计算系统可以达到现有通用处理器的数百甚至上千倍。并且，由于FPGA可动态地配置，系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线形函数，因此有可能在很少的几片甚至一片FPGA中集成一个支持所有标准的系统。不过，由于现有的FPGA的开发系统几乎都是为ASIC的原型验证而设计的，导致这些开发系统在节省工程开发时间上效率非常高， 而在FPGA资源的利用效率方面却比较差。HDL语言可大大提高设计能力，但在最大限度地发挥器件性能方面HDL的设计方法还有一定的局限性，还不能提供FPGA布局布线的优化和约束。 

3 汽车电子中的DSP和FPGA应用 

提到汽车电子的数字化，不能不想到目前无线通信很看好的软件无线电技术，尽管它是针对无线通信的，但软件无线电所要实现的思想，与汽车电子之所以要数字化处理所追求的目标却是殊路同归的。因此，有必要提及和采用这一技术的实现思路和思想。软件无线电概念的首次明确提出是在1992年5月，由MITRE公司的Joe Mitola提出，它是当今计算技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线通信中应用的产物；它所追求的基本思想和目标是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将多种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，以实现具有高度灵活性，开放性的通信产品。因此，对于汽车电子数字化产品的研究，完全可以吸取软件无线电的以下主要思想：第一，要使汽车电子产品摆脱硬件结构的束缚；第二，并不是不要硬件；第三，汽车电子产品应该具有开放性和兼容性，开放是指对使用的开放、对生产的开放和对研制的开放。下面，就基于软件无线电的思想探讨DSP和FPGA在汽车电子中的主要应用。 

3.1基于DSP和FPGA的车用语音信号处理 

汽车电子产品中的语音处理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。国外比较热门的汽车电子产品之一就是语音识别系统，语音识别系统具有潜在的应用前景，包括声控电话、语音操作导航、声控选择广播频道、防盗语音鉴别等。例如，一种基于隐式马可夫模型（HMM）的与讲话人无关、100条指令识别的应用，由文献可知，那幺声学HMM模型的大小将为。进行包括输入语音采样的细分/开窗、MFCC提取、概率计算和Viterbi搜寻等适时处理，对DSP的运算量要求一般为10000万次乘加（MAC）运算。对于连续语音信号的识别，则要求更好的数字信号处理速度和更大的存储空间。 

由于语音识别系统要对声音进行实时处理和采样，需要大量的运算，如果以它们20%的计算资源分配用于1000万次MAC语音识别应用，那么需要处理器能够具有5000万次MAC的能力。因此，必须采用DSP和FPGA才能完成其任务。DSP和FPGA的处理速度对语音信号处理应用系统的复杂性和性能起着决定性作用，高速DSP和FPGA的实现可实现声道自适应和声域自适应等现代语音处理和识别技术。从理论上讲，DSP和FPGA处理速度越快，汽车语音处理和识别产品的应用性能就越好。 

随着应用日益多样化， DSP和FPGA演变成不再是一块独立的芯片，而变成了构件内核。这使得设计师能选择合适的内核和专用逻辑“胶结”在一起形成专用DSP和FPGA方案，以满足信号处理的需要。目前，还出现把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽车电子系统使用通用DSP和FPGA来实现语音合成，纠错编码。而语音合成、语音压缩与编码是DSP最早和最广泛的应用，矢量编码器用于将语音信号压缩到有限带宽的信道中。 


3.2 基于DSP和FPGA的车用图像信号处理 

数字图像处理与分析技术已是一门较为成熟的二维信号处理技术， 现已被广泛应用于通信、生物医学、工业检测和军事等各个方面，当然在汽车电子中也将涉及到大量的图像处理处理。汽车电子中的图像处理主要包括运动图像处理和静止图像处理。目前，很多行业的汽车都已经开通了全球定位系统（GPS）。车载GPS系统除了传送自己的位置坐标信息，还需传送自己所处环境的图像信息，例如救护伤员的现场图景、紧急救灾现场图像等。同时，各个交通路口的流量监控图像要传回交通指挥中心，也需要进行图像信号的处理。对于这种汽车运动图像，主要特点是：第一，多速率压缩。由于无线信道的时变特性，系统的有效带宽、传输方式和数据速率往往会不断的变化；相应地，需要采用多速率压缩方式，灵活地适应信道带宽的这种变化。第二，压缩比例大。比如NTSC电视图像的数据量约为167Mb/s，要将其压缩200至6000倍左右，才能适应传输带宽的要求。第三，运动图像的运动补偿。运动图像由于它本身的相对运动，会有多普勒频移问题。对于高速运动的汽车来说，这种频移往往是不能忽视，必须对所获图像进行运动补偿。 

近年来，随着微电子技术的迅猛发展和芯片制造工艺的提高，DSP和FPGA不断涌现，过去的一个机箱、甚至一个机柜的信号处理系统，现在完全可以由单片的DSP或FPGA来完成，系统设计也将从过去的PCB板设计过渡到VLSI与UVLSI (甚大规模集成电路)芯片的设计。与此同时，由于DSP和FPGA技术的大量采用，数字图像处理就硬件结构方面也发生了重大变化，它已由基本的串行结构发展成平行处理结构，由单片DSP或FPGA处理器发展成多DSP或FPGA处理器系统， 或带阵列DSP和FPGA的高速处理系统。随着社会和经济的发展， 以及人们对数字图像处理系统实时性的要求也越来越高， 基于DSP和FPGA的数字图像处理系统在汽车电子产品中的应用范围将会越来越广， 例如车载会议电视、车载可视电话、车载机器视觉等。 

3.3 基于DSP和FPGA的车用自适应实时处理 

FPGA的时钟延迟可以达到纳秒级，结合DSP和FPGA的并行处理方式，因此DSP和FPGA非常适合超高速和实时信号处理领域。如前所述，由于FPGA内部结构的特点，它可以很容易的实现分布式的算法结构，这一点对实现汽车电子中的高速数字信号处理十分有利。因为汽车电子产品中通常都需要大量的滤波运算，而这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作，而通过分布式的算术结构，FPGA可以有效地实现乘和累加操作。另一方面，需要的大量的复杂的数学运算，可以依靠DSP或由DSP核组成的ASIC来完成的。在汽车电子产品中，对产品的大小、重量、功耗特别关注；在数据传输方面，在汽车电子系统中由声音信号数字化所产生的大量数据，要依靠高性能的DSP和FPGA来减少存储空间和传输带宽的要求，需要对视频信号与音频信号的编码、解码、彩色空间转换、回音消除、滤波、误码校正、复用、比特流协议处理等任务进行自适应实时处理，这是往往非DSP和FPGA不能完成的。 

控制理论处理是汽车电子中的难点和重点问题，利用经典和现代控制理论而建立的开环、死循环、最优、自适应控制系统来实现汽车的最优化控制。建立这些控制系统首先对汽车某个系统，如点火提前角优化控制系统进行识别，建立该系统的数学模型，然后采用相应的控制方法进行优化控制。但是发动机本身结构比较复杂，影响点火的因素较多，理论推导优化点火状态下的数学模型比较困难。因此，一般采用实验的方法找出各种工况下的最佳点火提前角，然后存入基于DSP和FPGA或DSP和FPGA阵列加大容量外部存储器中；这样可以避免使用计算机。在控制过程中，系统实时地检测发动机的工况（如发动机转速、功率等），用查表的方法，查出该工况下的最佳点火提前角，进行修正后再去控制点火。这比传统的基于计算机的控制方法，一方面，大大地减少了体积；另一方面，更具有实时性、灵活性。悬架电子控制，是指计算机检测到转向和制动状况的信号后，能自适应地处理车辆的侧倾、前后仰，并自动调整减震器阻尼力的控制系统， 它能防止倾斜并提高车轮的地面附着力， 超声波高度传感器用来控制车身高度，空气弹簧用来调整弹性系统，光栅检测器用来测定转向角等等。而DSP和FPGA的出现和发展应用，已使各系统控制走向集中，形成整车的智能控制系统。 

“智能交通系统”作为未来汽车和交通行业共同的追求方向，它将包括智能公路和智能汽车系统。它结合先进得公路信息处理技术和雷达防撞技术，将公路和汽车连为一个整体，可以极大地提高汽车流量，大幅度地降低交通事故的发生率。因此，汽车智能化相关的产品已受到汽车制造商们的高度重视。智能交通系统能根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短，而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线。“安全第一”永远是用户购车的第一选择，目前研究比较热的车用毫米波自适应防撞雷达，就是为解决高速公路上的由于撞车而造成的大量交通事故而研制的。由于在高速公路汽车间的相对速度都很高，而对雷达回波信号频差的提取是必须实时地。因而，对于对雷达回波信号频差的提取和处理，以及自适应防撞控制系统的反馈控制处理，往往是采用DSP或FPGA来实现的。 

4 发展展望 

纵观近几十年来汽车技术的重大成就，大都是在应用电子技术上进行的突破，电子技术已成为汽车工业发展的重要动力源泉。DSP和FPGA的出现给汽车产品和汽车电子技术带来了革命性的变化，世界汽车工业的DSP和FPGA用量激增，由从前单片DSP或FPGA处理器发展成多DSP或FPGA处理器，或DSP和FPGA阵列的高速处理器。基于DSP和FPGA的汽车电子产品能够满足未来的汽车发展的需要，并且，在多种车型并存的时代里，由以DSP和FPGA为核心所构建的通用硬件平台，可以通过不同的软件加载的方式来实现这种兼容。伴随着未来汽车电子技术的不断发展，DSP和FPGA的速度将会不断提高。就DSP而言，目前发展很快，主要的趋势有：在单片DSP中实现多个MAC、更多的寄存器、更宽的程序总线和数据总线、更高的工作频率；从结构上，采用SIMD以及MIMD，采用超长指令等。就FPGA而言，由于亚微米工艺的采用，其速度更快，门数更多。目前Lucent和XILINX公司均有10万门以上的产品，并且集成了一些新的功能，如System on Chip，Programming on System等，使其更加灵活。 

我国对于汽车电子系统的研究还不够深入。汽车制动防抱死系统、安全气囊、自动变速器和柴油机电控系统等仅在部分高校和企业进行了探索性研究，并未进入实用阶段。以汽车电子技术为代表的高新技术，正是我国汽车工业发展的“瓶颈”。针对这种情况，我国汽车电子技术的研究不仅应以汽车的节能、环保、安全为重点，力争尽快掌握它们的核心技术，缩小与发达国家的差距，更应以车载通信和高速实时信号处理技术这类新兴技术为突破口，依托国家信息技术研究的成果，开发先进的车载计算和信息处理产品，带动整个汽车电子技术的进步，提高我国汽车的电子化水平。