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使用FPGA實(shí)現ADAS設計的功能安全考慮

作者：時(shí)間：2016-12-16 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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基于雷達和攝像機的應用現在也被用于安全駕駛領(lǐng)域。最初，自適應巡航控制和道路偏離報警等這些高級輔助駕駛系統(ADAS)只是一些非常便利的特性。而現在，它們在車(chē)輛控制上扮演了更積極主動(dòng)的角色，支持實(shí)現道路輔助保持(LKA)等功能。以前的高性能CPU被認為是最適合這些應用的器件，但是綜合考慮計算性能和低功耗之后，促使工程師轉而采用FPGA器件。

ADAS需要滿(mǎn)足特殊的功能安全要求。2011年，載重3.5噸以下客車(chē)的ISO26262標準發(fā)布，其目的是降低系統出現故障后造成危險狀態(tài)的風(fēng)險。這一標準要求采用嚴密的設計過(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。

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顯示了從客戶(hù)需求角度看，ADAS應符合的ASIL目前的范圍。

圖1.ADAS ASIL市場(chǎng)需求(注：Range of Market Requirements for ADAS Applicatios:針對ADAS應用的市場(chǎng)要求范圍)

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，影響了開(kāi)發(fā)成本和進(jìn)度。分析系統概念，得出安全概念和要求后，還可以把應用分成幾種不同的步驟，這就具有不同的ASIL，更容易實(shí)現，而且實(shí)現的效率更高。

例如，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顯示了系統的高級結構圖。

圖2.高級單前端攝像機ADAS

一個(gè)圖像傳感器連接至圖像處理器，例如可以是AlteraCyclone VSoC。信號處理鏈和數據流被分成四個(gè)部分。首先，通過(guò)把圖像變換成更實(shí)用的表現形式，在像素級上進(jìn)行底層處理。然后，對行圖像或者塊圖像進(jìn)行中間級處理，使用相應的算法，提取出邊沿等特征。下一步，進(jìn)行高級處理，提取出每一幀的數據，探測目標并分類(lèi)。然后，系統會(huì )跟蹤目標，如果需要采取措施，則與剎車(chē)或者轉向電子控制單元(ECU)進(jìn)行通信。

在FPGA上，底層和中間級處理能被非常高效地實(shí)現，但是，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)或者兩個(gè)Cortex-A9上。處理鏈的最后一步是目標跟蹤和決策，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)或者底層ASIL (例如，ASIL-A)。原因是一個(gè)像素期間出現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)的高級處理功能應符合ASIL-B。對目標進(jìn)行分類(lèi)后，生成目標表，將之提供給微控制器，進(jìn)行目標跟蹤和決策。這是信號鏈最關(guān)鍵的部分，Altera認為它應該符合ASIL-D，這對汽車(chē)的行為有直接影響。

在這類(lèi)應用中，最好對數據流進(jìn)行更全面的分析，每一級的安全臨界定義對整個(gè)系統的性能會(huì )產(chǎn)生直接影響。對前面計算級有太高的安全要求會(huì )導致難以滿(mǎn)足系統性能目標，而且對系統整體安全的影響很小。但是，處理鏈底層也會(huì )出現故障，對系統安全功能產(chǎn)生較大的影響。例如，底層處理功能的永久故障會(huì )導致高層數據永久損害，但是，合理性檢查很容易探測到這類(lèi)故障，對系統性能的影響相對較小。

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