汽車(chē)電子中的DSP和FPGA應用概況

1 引言

20 世紀末，全球范圍內興起的信息革命浪潮，為汽車(chē)工業(yè)的突破性發(fā)展提供了千載難逢的機遇，信息技術(shù)的廣泛應用是解決汽車(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)題的最佳途徑。同時(shí)，隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，電子組件所占整車(chē)成本的比例也逐步上升。據統計資料表明，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％的速度快速增長(cháng)，特別是數字信號處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年25％的速度增長(cháng)。估計到2005年，汽車(chē)電子組件的市場(chǎng)規模，將達到170億美元。由此可見(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)。

DSP 和FPGA技術(shù)在許多領(lǐng)域均有廣泛的應用，在汽車(chē)電子領(lǐng)域也有它廣泛的應用舞臺。由于具有極強的實(shí)時(shí)性，使其對話(huà)音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能；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DSP和 FPGA芯片并非專(zhuān)門(mén)為某種功能設計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價(jià)格可以降到很低。所以，DSP和FPGA在汽車(chē)電子系統中大量應用，將會(huì )極大地促進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展。

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。

FPGA 指的是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它的基本功能模塊是由n輸入的查找表，存儲數據的觸發(fā)器和復路器等組成。這樣，只要正確地設置了其中的數據，查找表就能夠通過(guò)對中的數據的讀取而實(shí)現輸入的任意布爾函數。觸發(fā)發(fā)器則用來(lái)存儲數據，如有限狀態(tài)機的狀態(tài)信息。復路器可以選擇不同的輸入信號的組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線(xiàn)資源連接起來(lái)，就可以實(shí)現不同的組合邏輯和時(shí)序邏輯。由于FPGA內部結構的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現分布式的算法結構，這一點(diǎn)對實(shí)現汽車(chē)電子中的高速數字信號處理十分有利。由于FPGA器件實(shí)現的各功能塊可以同時(shí)工作，從而實(shí)現指令級、比特級、流水線(xiàn)級甚至是任務(wù)級的并行執行，從而大大地加快了計算速度。由FPGA實(shí)現的計算系統可以達到現有通用處理器的數百甚至上千倍。并且，由于FPGA可動(dòng)態(tài)地配置，系統的硅片面積不再是所支持無(wú)線(xiàn)接口數的線(xiàn)形函數，因此有可能在很少的幾片甚至一片FPGA中集成一個(gè)支持所有標準的系統。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Joe Mitola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。

3.1基于DSP和FPGA的車(chē)用語(yǔ)音信號處理

汽車(chē)電子產(chǎn)品中的語(yǔ)音處理主要涉及到語(yǔ)音的數字化處理、語(yǔ)音編解碼、語(yǔ)音壓縮和語(yǔ)音識別。國外比較熱門(mén)的汽車(chē)電子產(chǎn)品之一就是語(yǔ)音識別系統，語(yǔ)音識別系統具有潛在的應用前景，包括聲控電話(huà)、語(yǔ)音操作導航、聲控選擇廣播頻道、防盜語(yǔ)音鑒別等。例如，一種基于隱式馬可夫模型（HMM）的與講話(huà)人無(wú)關(guān)、100條指令識別的應用，由文獻可知，那幺聲學(xué)HMM模型的大小將為。進(jìn)行包括輸入語(yǔ)音采樣的細分/開(kāi)窗、MFCC提取、概率計算和Viterbi搜尋等適時(shí)處理，對DSP的運算量要求一般為10000萬(wàn)次乘加（MAC）運算。對于連續語(yǔ)音信號的識別，則要求更好的數字信號處理速度和更大的存儲空間。

由于語(yǔ)音識別系統要對聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和采樣，需要大量的運算，如果以它們20%的計算資源分配用于1000萬(wàn)次MAC語(yǔ)音識別應用，那么需要處理器能夠具有5000萬(wàn)次MAC的能力。因此，必須采用DSP和FPGA才能完成其任務(wù)。DSP和FPGA的處理速度對語(yǔ)音信號處理應用系統的復雜性和性能起著(zhù)決定性作用，高速DSP和FPGA的實(shí)現可實(shí)現聲道自適應和聲域自適應等現代語(yǔ)音處理和識別技術(shù)。從理論上講，DSP和FPGA處理速度越快，汽車(chē)語(yǔ)音處理和識別產(chǎn)品的應用性能就越好。

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。

3.2 基于DSP和FPGA的車(chē)用圖像信號處理

數字圖像處理與分析技術(shù)已是一門(mén)較為成熟的二維信號處理技術(shù)， 現已被廣泛應用于通信、生物醫學(xué)、工業(yè)檢測和軍事等各個(gè)方面，當然在汽車(chē)電子中也將涉及到大量的圖像處理處理。汽車(chē)電子中的圖像處理主要包括運動(dòng)圖像處理和靜止圖像處理。目前，很多行業(yè)的汽車(chē)都已經(jīng)開(kāi)通了全球定位系統（GPS）。車(chē)載GPS系統除了傳送自己的位置坐標信息，還需傳送自己所處環(huán)境的圖像信息，例如救護傷員的現場(chǎng)圖景、緊急救災現場(chǎng)圖像等。同時(shí)，各個(gè)交通路口的流量監控圖像要傳回交通指揮中心，也需要進(jìn)行圖像信號的處理。對于這種汽車(chē)運動(dòng)圖像，主要特點(diǎn)是：第一，多速率壓縮。由于無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變特性，系統的有效帶寬、傳輸方式和數據速率往往會(huì )不斷的變化；相應地，需要采用多速率壓縮方式，靈活地適應信道帶寬的這種變化。第二，壓縮比例大。比如NTSC電視圖像的數據量約為167Mb/s，要將其壓縮200至6000倍左右，才能適應傳輸帶寬的要求。第三，運動(dòng)圖像的運動(dòng)補償。運動(dòng)圖像由于它本身的相對運動(dòng)，會(huì )有多普勒頻移問(wèn)題。對于高速運動(dòng)的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，這種頻移往往是不能忽視，必須對所獲圖像進(jìn)行運動(dòng)補償。

近年來(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和芯片制造工藝的提高，DSP和FPGA不斷涌現，過(guò)去的一個(gè)機箱、甚至一個(gè)機柜的信號處理系統，現在完全可以由單片的DSP或FPGA來(lái)完成，系統設計也將從過(guò)去的PCB板設計過(guò)渡到VLSI與UVLSI (甚大規模集成電路)芯片的設計。與此同時(shí)，由于DSP和FPGA技術(shù)的大量采用，數字圖像處理就硬件結構方面也發(fā)生了重大變化，它已由基本的串行結構發(fā)展成平行處理結構，由單片DSP或FPGA處理器發(fā)展成多DSP或FPGA處理器系統， 或帶陣列DSP和FPGA的高速處理系統。隨著(zhù)社會(huì )和經(jīng)濟的發(fā)展， 以及人們對數字圖像處理系統實(shí)時(shí)性的要求也越來(lái)越高， 基于DSP和FPGA的數字圖像處理系統在汽車(chē)電子產(chǎn)品中的應用范圍將會(huì )越來(lái)越廣， 例如車(chē)載會(huì )議電視、車(chē)載可視電話(huà)、車(chē)載機器視覺(jué)等。

3.3 基于DSP和FPGA的車(chē)用自適應實(shí)時(shí)處理

FPGA的時(shí)鐘延遲可以達到納秒級，結合DSP和FPGA的并行處理方式，因此DSP和 FPGA非常適合超高速和實(shí)時(shí)信號處理領(lǐng)域。如前所述，由于FPGA內部結構的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現分布式的算法結構，這一點(diǎn)對實(shí)現汽車(chē)電子中的高速數字信號處理十分有利。因為汽車(chē)電子產(chǎn)品中通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作，而通過(guò)分布式的算術(shù)結構，FPGA可以有效地實(shí)現乘和累加操作。另一方面，需要的大量的復雜的數學(xué)運算，可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來(lái)完成的。在汽車(chē)電子產(chǎn)品中，對產(chǎn)品的大小、重量、功耗特別關(guān)注；在數據傳輸方面，在汽車(chē)電子系統中由聲音信號數字化所產(chǎn)生的大量數據，要依靠高性能的DSP和FPGA來(lái)減少存儲空間和傳輸帶寬的要求，需要對視頻信號與音頻信號的編碼、解碼、彩色空間轉換、回音消除、濾波、誤碼校正、復用、比特流協(xié)議處理等任務(wù)進(jìn)行自適應實(shí)時(shí)處理，這是往往非DSP 和FPGA不能完成的。

控制理論處理是汽車(chē)電子中的難點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題，利用經(jīng)典和現代控制理論而建立的開(kāi)環(huán)、死循環(huán)、最優(yōu)、自適應控制系統來(lái)實(shí)現汽車(chē)的最優(yōu)化控制。建立這些控制系統首先對汽車(chē)某個(gè)系統，如點(diǎn)火提前角優(yōu)化控制系統進(jìn)行識別，建立該系統的數學(xué)模型，然后采用相應的控制方法進(jìn)行優(yōu)化控制。但是發(fā)動(dòng)機本身結構比較復雜，影響點(diǎn)火的因素較多，理論推導優(yōu)化點(diǎn)火狀態(tài)下的數學(xué)模型比較困難。因此，一般采用實(shí)驗的方法找出各種工況下的最佳點(diǎn)火提前角，然后存入基于DSP和FPGA或DSP和FPGA陣列加大容量外部存儲器中；這樣可以避免使用計算機。在控制過(guò)程中，系統實(shí)時(shí)地檢測發(fā)動(dòng)機的工況（如發(fā)動(dòng)機轉速、功率等），用查表的方法，查出該工況下的最佳點(diǎn)火提前角，進(jìn)行修正后再去控制點(diǎn)火。這比傳統的基于計算機的控制方法，一方面，大大地減少了體積；另一方面，更具有實(shí)時(shí)性、靈活性。懸架電子控制，是指計算機檢測到轉向和制動(dòng)狀況的信號后，能自適應地處理車(chē)輛的側傾、前后仰，并自動(dòng)調整減震器阻尼力的控制系統， 它能防止傾斜并提高車(chē)輪的地面附著(zhù)力， 超聲波高度傳感器用來(lái)控制車(chē)身高度，空氣彈簧用來(lái)調整彈性系統，光柵檢測器用來(lái)測定轉向角等等。而DSP和FPGA的出現和發(fā)展應用，已使各系統控制走向集中，形成整車(chē)的智能控制系統。

“智能交通系統”作為未來(lái)汽車(chē)和交通行業(yè)共同的追求方向，它將包括智能公路和智能汽車(chē)系統。它結合先進(jìn)得公路信息處理技術(shù)和雷達防撞技術(shù)，將公路和汽車(chē)連為一個(gè)整體，可以極大地提高汽車(chē)流量，大幅度地降低交通事故的發(fā)生率。因此，汽車(chē)智能化相關(guān)的產(chǎn)品已受到汽車(chē)制造商們的高度重視。智能交通系統能根據駕駛員提供的目標資料，向駕駛員提供距離最短，而且能繞開(kāi)車(chē)輛密度相對集中處的最佳行駛路線(xiàn)。“安全第一” 永遠是用戶(hù)購車(chē)的第一選擇，目前研究比較熱的車(chē)用毫米波自適應防撞雷達，就是為解決高速公路上的由于撞車(chē)而造成的大量交通事故而研制的。由于在高速公路汽車(chē)間的相對速度都很高，而對雷達回波信號頻差的提取是必須實(shí)時(shí)地。因而，對于對雷達回波信號頻差的提取和處理，以及自適應防撞控制系統的反饋控制處理，往往是采用DSP或FPGA來(lái)實(shí)現的。

4 發(fā)展展望

縱觀(guān)近幾十年來(lái)汽車(chē)技術(shù)的重大成就，大都是在應用電子技術(shù)上進(jìn)行的突破，電子技術(shù)已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要動(dòng)力源泉。DSP和FPGA的出現給汽車(chē)產(chǎn)品和汽車(chē)電子技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化，世界汽車(chē)工業(yè)的DSP和FPGA 用量激增，由從前單片DSP或FPGA處理器發(fā)展成多DSP或FPGA處理器，或DSP和FPGA陣列的高速處理器?；贒SP和FPGA的汽車(chē)電子產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足未來(lái)的汽車(chē)發(fā)展的需要，并且，在多種車(chē)型并存的時(shí)代里，由以DSP和FPGA為核心所構建的通用硬件平臺，可以通過(guò)不同的軟件加載的方式來(lái)實(shí)現這種兼容。伴隨著(zhù)未來(lái)汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP和FPGA的速度將會(huì )不斷提高。就DSP而言，目前發(fā)展很快，主要的趨勢有：在單片DSP中實(shí)現多個(gè) MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)、更高的工作頻率；從結構上，采用SIMD以及MIMD，采用超長(cháng)指令等。就FPGA而言，由于亞微米工藝的采用，其速度更快，門(mén)數更多。目前Lucent和XILINX公司均有10萬(wàn)門(mén)以上的產(chǎn)品，并且集成了一些新的功能，如System on Chip，Programming on System等，使其更加靈活。

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。以汽車(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”。針對這種情況，我國汽車(chē)電子技術(shù)的研究不僅應以汽車(chē)的節能、環(huán)保、安全為重點(diǎn)，力爭盡快掌握它們的核心技術(shù)，縮小與發(fā)達國家的差距，更應以車(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)先進(jìn)的車(chē)載計算和信息處理產(chǎn)品，帶動(dòng)整個(gè)汽車(chē)電子技術(shù)的進(jìn)步，提高我國汽車(chē)的電子化水平。