通過(guò)FPGA設計安全的高級輔助駕駛系統

隨著(zhù)道路上汽車(chē)數量的增加，我們需要更多的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步減少交通事故。過(guò)去幾年，基于雷達和攝像機的新系統功能的出現使駕駛更加安全。很多高級輔助駕駛系統(ADAS)應用，如自動(dòng)巡航控制、道路偏離報警、交通信號標志識別等，已經(jīng)成為車(chē)輛上非常方便的功能，但對車(chē)輛行為沒(méi)有影響或影響很小。然而，現在這些技術(shù)開(kāi)始在車(chē)輛控制中扮演積極主動(dòng)的角色，如車(chē)道輔助保持(LKA)或自動(dòng)緊急剎車(chē)(AEB)等，以幫助實(shí)現減少交通事故的既定目標。這帶來(lái)的挑戰是，當系統出現故障時(shí)，必須確保系統不會(huì )對車(chē)輛和環(huán)境造成更大的損害。

本文以單前端攝像機系統為例，對其進(jìn)行深入分析，介紹它如何通過(guò)使用Altera Cyclone V SoC確定關(guān)鍵數據流.在現有的診斷機制下，如何找到故障;并提供一些診斷實(shí)例，通過(guò)靈活的可編程FPGA，在系統級實(shí)現診斷。與使用通用微處理器、數字信號處理(DSP)和其他平臺相比，在某些情況下，針對實(shí)際應用使用定制診斷方法可以提高應用性能。

ADAS應用中的FPGA

上文提到的很多應用都有相對較高的計算需求，需要從雷達或視頻圖像中提取特征信號，確定目標及其蹤跡。這通常要求高性能多核CPU體系結構。這些CPU能夠靈活地對特殊事件重新編程，但缺點(diǎn)是效率較低，因為有些功能并非必需或很少使用。

功耗是需重點(diǎn)關(guān)注的另一因素。很多系統位于后視鏡前面的擋風(fēng)玻璃下面，直接暴露在陽(yáng)光下，或位于散熱器前保險杠中，因此無(wú)法高效地散熱。當使用高頻運行的多核通用CPU體系結構時(shí)，很難滿(mǎn)足性能和功耗要求。使用FPGA可同時(shí)解決這些問(wèn)題。FPGA的功耗通常比標準邏輯高，但與通用計算體系結構相比，高效的定制實(shí)現某一算法實(shí)際上降低了功耗。FPGA的另一優(yōu)點(diǎn)是，當實(shí)現流處理算法后，可以避免在內部和外部存儲器之間傳送數據。若使用外部DDR存儲器進(jìn)行數據處理，實(shí)際功耗會(huì )非常大。

就性能而言，流處理也降低了某些應用中遇到外部存儲器帶寬問(wèn)題的風(fēng)險。FPGA內在的可編程特性帶來(lái)了通用計算體系結構所具有的某些優(yōu)勢。它甚至支持系列產(chǎn)品的在現場(chǎng)更新，實(shí)現在系統編程。在某些情況下，基于FPGA開(kāi)發(fā)，要比基于CPU的高性能芯片體系結構容易得多。由于SoC越來(lái)越多，因此，FPGA能夠很好地結合這兩種體系結構，例如Altera Cyclone V SoC系列，它在一個(gè)芯片上集成了通用CPU系統和FPGA架構。Cyclone V SoC實(shí)現了兩個(gè)ARM Cortex—A9 CPU，支持通用微控制器和處理器常用的很多外設。

性能安全

與目前市場(chǎng)上的其他解決方案相比，FPGA更加容易滿(mǎn)足應用的功能安全需求。ADAS需要滿(mǎn)足特殊的功能安全要求。2011年，發(fā)布了載重3.5噸以上的ISO26262標準，以降低系統出現故障后造成危險狀態(tài)的風(fēng)險。這一標準要求實(shí)現嚴密的設計過(guò)程，在應用執行過(guò)程中探測隨機硬件故障，以減少系統性故障。它涉及到一個(gè)系統及多個(gè)系統的分析和開(kāi)發(fā)，列出了系統中使用的每一硬件組件的指南(包括這些硬件組件上運行的軟件)，設定了產(chǎn)品整個(gè)安全生命周期中的要求。

應用開(kāi)發(fā)人員定義了專(zhuān)門(mén)的安全目標，針對每一目標分配了相應的汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)。對于應用中最高級別的ASIL，通常定義了每一組件從開(kāi)發(fā)直至工作到壽命終了時(shí)應滿(mǎn)足的要求。圖1顯示了ASlL目前的范圍，來(lái)自ADAS需要遵守的客戶(hù)需求。

ASIL-B是市場(chǎng)上的最低級別，而某些應用則要求采用ASIL-D以支持某些功能。越來(lái)越多的ASIL有更嚴格的要求。在某些具體實(shí)現中，組件的通用ASIL或者條目(系統)等級都會(huì )帶來(lái)不必要的復雜度，對開(kāi)發(fā)成本和進(jìn)度有影響。建議應詳細地了解應用需求。這一般通過(guò)分析系統概念，并從中得出安全概念和要求來(lái)實(shí)現。還可以把應用分成幾種不同的步驟，具有不同的ASIL，更容易實(shí)現，效率更高。

ADAS單前端攝像機應用系統概念

本文舉例的前端攝像機應用使用了ADAS中常見(jiàn)的一個(gè)圖像傳感器。圖2顯示了系統的整體框圖。

一個(gè)圖像傳感器連接至圖像處理器，即Altera Cyclone V SoC。信號處理鏈和數據流被分成4部分：

◆ 通過(guò)把圖像變換成更實(shí)用的表示，在像素級上進(jìn)行底層處理。

◆ 對行圖像或者塊圖像進(jìn)行中間級處理，使用相應的算法，例如Sobcl濾波器或者Canny邊沿探測算法等，提取出邊沿等特征。

◆ 進(jìn)行高級處理，提取出每一幀的數據，探測目標并分類(lèi)。

◆ 跟蹤識別出的目標，決定在危險環(huán)境下是否需要采取措施，例如剎車(chē)或者換擋電子控制單元(ECU)等會(huì )要求與微控制器進(jìn)行通信。

在FPGA上能夠非常高效地實(shí)現底層和中間級處理，但用戶(hù)也可以在Cyclone V SoC硬核處理器系統(HPS)的Cortex—A9處理器等CPU上實(shí)現某些中間級處理。高級處理主要是控制代碼，可以映射到HPS中的一個(gè)或兩個(gè)Cortex—A9上。處理鏈的最后一步是目標跟蹤和判決，可以在外部微控制器上完成這一步。

在整個(gè)處理過(guò)程中，每一步將輸入數據進(jìn)行簡(jiǎn)化得到更有意義的數據，數據減少意味著(zhù)提高了安全臨界。因此，底層實(shí)現可以分成質(zhì)量管理(QM)或底層ASIL(如ASIL-A)。這樣的原因是，一個(gè)像素期間引入的故障對后續算法性能的影響很小，可以忽略。在這個(gè)例子中，假設中間級處理符合ASIL-A或者ASIL-B，識別目標并進(jìn)行分類(lèi)的高級處理應符合ASIL-B。對目標進(jìn)行分類(lèi)后，生成目標表，提供給微控制器，進(jìn)行目標跟蹤和判決。這是信號鏈最關(guān)鍵的部分，我們假設它應該符合ASIL-D，這對汽車(chē)的行力有直接影響。

組件應用功能

圖3顯示了單前端攝像機系統實(shí)例的總體結構圖。由一個(gè)外部電源管理電路為Cyclone V SoC提供電源。當供電電壓不在額定工作范圍內時(shí)，單獨的電壓監控功能會(huì )產(chǎn)生復位。外部非易失存儲器連接至四路串行外設(quad SPI)模塊，用于系統啟動(dòng)過(guò)程中裝入應用程序并配置FP GA。執行應用代碼，存儲數據和圖像幀時(shí)，我們使用DDR存儲器。通過(guò)SPI連接外部微控制器，進(jìn)行目標探測和最終判決，通過(guò)CAN總線(xiàn)接口與汽車(chē)基礎結構的其他部分進(jìn)行通信。