DSP和FPGA在汽車(chē)電子中的應用

1 引言

目前，我國對于汽車(chē)電子系統的研究還不夠深入。汽車(chē)制動(dòng)防抱死系統、安全氣囊、自動(dòng)變速器和柴油機電控系統等僅在部分高校和企業(yè)進(jìn)行了探索性研究，并未進(jìn)入實(shí)用階段。汽車(chē)電子技術(shù)為代表的高新技術(shù)，正是我國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。對此，我國汽車(chē)電子行業(yè)應該盡快掌握它們的核心技術(shù)，縮小與發(fā)達國家的差距，因以車(chē)載通信和高速實(shí)時(shí)信號處理技術(shù)這類(lèi)新興技術(shù)為突破口，依托國家信息技術(shù)研究的成果，開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的車(chē)載計算和信息處理產(chǎn)品，提高汽車(chē)電子技術(shù)的進(jìn)步，帶動(dòng)我國汽車(chē)的電子化水平。

20世紀末，在全球范圍內興起了一股信息革命的大浪潮，給汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了千載難逢的機遇。解決汽車(chē)帶來(lái)的諸如交通擁擠、交通安全、環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題需要靠信息技術(shù)的廣泛應用。同時(shí)，隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子組件所占整車(chē)成本的比例也在逐步上升。據資料表明，目前，在歐美國家生產(chǎn)的汽車(chē)上，電子組件已占到汽車(chē)總成本的20～30%，并且，車(chē)用電子組件還以每年8.8％的速度飛快增長(cháng)，特別是數字信號處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年驚人的25％速度猛增著(zhù)?？梢?jiàn)，電子化、集成化、數字化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化、小型化和個(gè)性化已經(jīng)成為并且還將繼續是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。本文僅集中探討汽車(chē)電子中基于DSP和FPGA的數字化應用技術(shù)。

　　汽車(chē)電子領(lǐng)域也有DSP和FPGA技術(shù)很廣泛的應用舞臺。因為其具有極強的實(shí)時(shí)性，使實(shí)時(shí)處理話(huà)音成為可能；由于它是通過(guò)面向芯片結構指令的軟件編程來(lái)實(shí)現其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進(jìn)系統原有設計方案或原有功能，具有極大的靈活性；又由于其并非專(zhuān)門(mén)為某種功能設計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價(jià)格可以很低。所以，如果DSP和FPGA在汽車(chē)電子系統中大量應用的話(huà)，將會(huì )極大地促進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展。

　DSP

　　數字信號處理（Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP）是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來(lái)，隨著(zhù)計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。數字信號處理是一種通過(guò)使用數學(xué)技巧執行轉換或提取信息，來(lái)處理現實(shí)信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠(chǎng)商在這一領(lǐng)域擁有很強的實(shí)力。

　　　2 DSP和FPGA在汽車(chē)電子中的應用

　　比較DSP作為可編程超大規模集成電路（VLSI）器件，是通過(guò)可下載的軟件或固件來(lái)實(shí)現擴展算法和數字信號處理功能的，其最典型的用途是實(shí)現FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構造單元是被稱(chēng)為MAC的乘加器，它通常被集成在數據信道中，這使得指令周期時(shí)間可以跟硬件的算術(shù)周期時(shí)間相同。此外，DSP芯片還有若干個(gè)獨立的片內存儲器、ROM、RAM、并行功能單元、鎖相環(huán)（PLL）、振蕩器、幾條8位或16位的總線(xiàn)、時(shí)鐘中斷電路等。為滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)便攜式器件無(wú)電保存數據的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲器、鐵電存儲器等技術(shù)。當前，大多數的DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結構，即數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)相互分離，使得處理指令和數據可以同時(shí)進(jìn)行，提高了處理效率。另外還采用了流水線(xiàn)技術(shù)，將取指、取操作數、執指等步驟的指令時(shí)間可以重迭起來(lái)，大大提運算速度。

　　不過(guò)，由于現有的FPGA的開(kāi)發(fā)系統幾乎都是為ASIC的原型驗證而設計的，導致這些開(kāi)發(fā)系統在節省工程開(kāi)發(fā)時(shí)間上效率非常高，而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語(yǔ)言可大大提高設計能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設計方法還有一定的局限性，還不能提供FPGA布局布線(xiàn)的優(yōu)化和約束。

　　3 汽車(chē)電子中的DSP和FPGA應用

　　提到汽車(chē)電子的數字化，不能不想到目前無(wú)線(xiàn)通信很看好的軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，盡管它是針對無(wú)線(xiàn)通信的，但軟件無(wú)線(xiàn)電所要實(shí)現的思想，與汽車(chē)電子之所以要數字化處理所追求的目標卻是殊路同歸的。因此，有必要提及和采用這一技術(shù)的實(shí)現思路和思想。軟件無(wú)線(xiàn)電概念的首次明確提出是在1992年5月，由MITRE公司的JoeMitola提出，它是當今計算技術(shù)、超大規模集成電路和數字信號處理技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信中應用的產(chǎn)物；它所追求的基本思想和目標是：構造一個(gè)具有開(kāi)放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將多種功能，如工作頻段、調制解調類(lèi)型、數據格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成，以實(shí)現具有高度靈活性，開(kāi)放性的通信產(chǎn)品。因此，對于汽車(chē)電子數字化產(chǎn)品的研究，完全可以吸取軟件無(wú)線(xiàn)電的以下主要思想：第一，要使汽車(chē)電子產(chǎn)品擺脫硬件結構的束縛；第二，并不是不要硬件；第三，汽車(chē)電子產(chǎn)品應該具有開(kāi)放性和兼容性，開(kāi)放是指對使用的開(kāi)放、對生產(chǎn)的開(kāi)放和對研制的開(kāi)放。下面，就基于軟件無(wú)線(xiàn)電的思想探討DSP和FPGA在汽車(chē)電子中的主要應用。

　　隨著(zhù)應用日益多樣化，DSP和FPGA演變成不再是一塊獨立的芯片，而變成了構件內核。這使得設計師能選擇合適的內核和專(zhuān)用邏輯“膠結”在一起形成專(zhuān)用DSP和FPGA方案，以滿(mǎn)足信號處理的需要。目前，還出現把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽車(chē)電子系統使用通用DSP和FPGA來(lái)實(shí)現語(yǔ)音合成，糾錯編碼。而語(yǔ)音合成、語(yǔ)音壓縮與編碼是DSP最早和最廣泛的應用，矢量編碼器用于將語(yǔ)音信號壓縮到有限帶寬的信道中。