在汽車(chē)應用中通過(guò)高性能技術(shù)提高安全性

　　汽車(chē)分析師認為，主動(dòng)安全系統與 高級駕駛輔助系統(ADAS)將成為 2010 年的頂級新技術(shù)，不僅能進(jìn)一步避免事故的發(fā)生，即便發(fā)生事故，也能顯著(zhù)降低事故的嚴重性。車(chē)道偏離預警系統 (LDWS)、睡意檢測以及夜視技術(shù)等將成為今后五年內高速發(fā)展的應用領(lǐng)域，預計復合年均增長(cháng)率 (CAGR) 將超過(guò) 50%(資料來(lái)源：《2004 至 2013 年車(chē)載半導體預測：安全性與便捷性電子技術(shù)將成為發(fā)展的關(guān)鍵》第 10 頁(yè))。

　　在進(jìn)行市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)時(shí)，應積極向消費者宣傳上述系統的優(yōu)勢，預計他們將非常樂(lè )于接受這種新技術(shù)，進(jìn)而需求也會(huì )相應增長(cháng)。對于汽車(chē)  OEM 廠(chǎng)商而言，在引擎、被動(dòng)安全系統以及信息娛樂(lè )設備已成為當前智能化汽車(chē)的標準設備之際，主動(dòng)安全系統與 ADAS 還能作為產(chǎn)品差異化的增值亮點(diǎn)。憑借其達芬奇技術(shù) (DaVinci) 與專(zhuān)為車(chē)載安全應用設計而精心優(yōu)化的最新 TMS320DM643x 處理器，TI 為 OEM 廠(chǎng)商帶來(lái)了可幫助他們向當前市場(chǎng)快速推出主動(dòng)安全與 ADAS 解決方案的先進(jìn)技術(shù)。

　　主動(dòng)安全與ADAS系統基礎

　　不過(guò)，主動(dòng)安全系統與 ADAS 并不是完全無(wú)需駕駛人員干預就能完全控制汽車(chē)的保護技術(shù)，而是要為駕駛人員提供車(chē)輛周邊的操作和環(huán)境條件的相關(guān)信息，以提高汽車(chē)的整體安全性。通常說(shuō)來(lái)，這些系統會(huì )發(fā)出適當的預警，警告駕駛人員可能存在潛在危險，不過(guò)在特定條件下，主動(dòng)安全系統也能自行做出干預，比方說(shuō)自適應巡航控制等。主動(dòng)安全系統目前僅在豪華轎車(chē)中處于早期實(shí)施階段，預計今后該技術(shù)將普遍用于各類(lèi)汽車(chē)中，隨著(zhù)技術(shù)的不斷普及和成熟，規模經(jīng)濟效益將日益突顯。

　　舉例來(lái)說(shuō)，當前正處于開(kāi)發(fā)階段以及已在汽車(chē)中部署的主動(dòng)安全系統包括車(chē)道偏離預警、線(xiàn)內行駛輔助 (lane keep assistance)、交通標志識別、盲區檢測和睡意檢測等。眾多主動(dòng)安全系統均采用圖像傳感器來(lái)收集可視數據。這些數據經(jīng)過(guò)處理后，可提取出對象檢測與對象跟蹤所需的相關(guān)特性。

　　在各種 ADAS 應用中，我們可采用不同類(lèi)型的傳感器來(lái)收集環(huán)境信息：盲區檢測系統通常采用紅外傳感器或圖像傳感器，自適應巡航控制采用雷達 (RADAR)或激光雷達 (LIDAR)，而超生傳感器則用于泊車(chē)輔助，等等。交通標志識別應用通常采用正向彩色圖像傳感器 (forward facing color image sensor)?；叶葓D像傳感器 (Grayscale image sensor) 對光較為敏感，更多用于其他應用。某些主動(dòng)安全應用中的圖像傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍每像素超過(guò) 8 位。對于高級應用而言，每種應用的數據處理過(guò)程都比較類(lèi)似，其中包括數據捕獲、準備處理數據、執行專(zhuān)用處理、評估結果，最后再采取行動(dòng)(如圖 1 所示)。

　　舉例來(lái)說(shuō)，在實(shí)施車(chē)道偏離預警時(shí)，系統需要識別道路標線(xiàn)并跟蹤其位置。若汽車(chē)沒(méi)打轉向燈就越線(xiàn)的話(huà)，那么系統會(huì )對駕駛人員做出提醒。同樣，交通標志識別系統采用圖像傳感器捕獲的數據來(lái)檢測并識別各種標志類(lèi)別。例如，駕駛人員遇到限速 65 MPH 的標志牌時(shí)可以加速，但遇到停止路標時(shí)就不能加速。睡意檢測應用要求較高的計算強度，如果駕駛人員手握方向盤(pán)打上了瞌睡，那么就會(huì )發(fā)出警報。

　　根據所需不同類(lèi)型的安全功能，我們應在車(chē)內配備多種類(lèi)型的傳感器，以提高整體覆蓋面。舉例來(lái)說(shuō)，車(chē)道偏離功能要用到前視和后視傳感器收集的數據，交通標志識別系統要用到前視傳感器，睡意檢測則用到在車(chē)內安裝的正對著(zhù)駕駛人員的傳感器。

　　不過(guò)，識別、跟蹤并評估駕駛對象是一種非常復雜的工作。駕駛條件會(huì )有各種各樣的差別，區別極大，這會(huì )影響傳感器數據收集的質(zhì)量。舉例來(lái)說(shuō)，上述系統必須支持日夜工作，不管汽車(chē)快速還是慢速行駛，是變線(xiàn)還是在大晴天、雨天、霧天、雪天等各種天氣條件下行駛，都要良好發(fā)揮作用，而上述各種情況都可能造成駕駛條件評估所需重要細節的模糊。此外，所有處理工作必須實(shí)時(shí)完成，處理時(shí)延不能超過(guò) 30 ms。警報若有半秒鐘的時(shí)延，則可能決定生死，要么駕駛人員能成功避開(kāi)，要么就會(huì )發(fā)生車(chē)禍。

　　車(chē)內安裝的傳感器會(huì )針對汽車(chē)的內外部環(huán)境提供局部圖像。車(chē)上安裝的每部傳感器都能提供一定的信息。我們必須綜合協(xié)調車(chē)中的所有主動(dòng)安全和 ADAS 系統。盡管許多功能可以進(jìn)行獨立評估，但在更多情況下，只有綜合考慮所有傳感器提供的信息，才能得出更準確的風(fēng)險評估。設計上述系統的部分挑戰在于，不僅要確定是否發(fā)出警報信號，還要確定何時(shí)發(fā)出。

　　舉例來(lái)說(shuō)，不妨設想一下汽車(chē)逐漸離開(kāi)所行駛的車(chē)道時(shí)的情況，這是變線(xiàn)時(shí)肯定要發(fā)生的，駕駛人員不希望在路上每次變線(xiàn)時(shí)打了轉向燈后都會(huì )接到警報。不過(guò)，如果駕駛人員現在沒(méi)有看著(zhù)路面情況，比方說(shuō)睡意檢測功能發(fā)現駕駛人員頭朝向側面或者向前點(diǎn)頭，那么車(chē)道偏離功能發(fā)出警報的可能性就會(huì )加大。顯然，如果駕駛人員正關(guān)注著(zhù)路面可能發(fā)生危險的情況，那么對預警效率會(huì )有直接的影響，即警報就不用那么快發(fā)出。此外還能支持許多其他情況：比方說(shuō)汽車(chē)快速接近在當前車(chē)道上停止或減速的汽車(chē)時(shí)，可能需要快速變線(xiàn)，要是這時(shí)不發(fā)出車(chē)道偏離預警可能就會(huì )導致駕駛人員難以成功完成變線(xiàn)操作。不過(guò)，如果盲區識別功能檢測到車(chē)左側還有其他車(chē)輛的話(huà)，則系統就會(huì )禁止變線(xiàn)。

　　主動(dòng)安全系統的每個(gè)階段都要求大量的信號處理資源?？傮w說(shuō)來(lái)，系統需要高性能的實(shí)時(shí)處理功能為駕駛人員提供準確而及時(shí)的協(xié)助?？紤]到這一任務(wù)在信號處理方面的要求，數字信號處理器 (DSP) 不失為最高效、最高性能以及最低成本的主動(dòng)安全系統實(shí)施方案。

　　單芯片架構的優(yōu)勢

　　由于多級主動(dòng)安全和 ADAS 系統都密切協(xié)作，共同處理大量數據，因此我們應在單個(gè)處理器上運行多個(gè)應用。舉例來(lái)說(shuō)，正向圖像傳感器捕獲到的視頻可同時(shí)用于車(chē)道偏離警告和交通標志識別。在單個(gè) DSP 上同時(shí)處理多種算法的能力不僅減少了時(shí)延，而且減少了所需的芯片數量，從而減少了故障點(diǎn)，提高了系統可靠性，降低了系統成本，這些都是在開(kāi)發(fā)魯棒性汽車(chē)應用時(shí)的關(guān)鍵因素。

　　TI 已設計出 TMS320DM643x 器件來(lái)滿(mǎn)足高性能要求，并盡可能降低系統成本。TMS320DM643x 器件采用達芬奇技術(shù)，并配套提供完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境及軟件，有助于加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與部署，有望在 2007 年年初推出。

　　要想開(kāi)發(fā)出魯棒性較高的主動(dòng)安全系統，其關(guān)鍵要求就是靈活性。隨著(zhù)各個(gè)公司不斷改進(jìn)算法，算法的實(shí)施應當更為方便?？删幊誊浖軜嫗殚_(kāi)發(fā)人員提供了這種靈活性和高性能，而這正是固定 ASIC 實(shí)施所無(wú)法企及的?？删幊烫幚砥鬟€為開(kāi)發(fā)新技術(shù)提供了理想的平臺，因為軟件技術(shù)更便于創(chuàng )新技術(shù)開(kāi)發(fā)與部署。

　　極度靈活性

　　靈活性在管理主動(dòng)安全系統技術(shù)在全球產(chǎn)品線(xiàn)中的知識產(chǎn)權轉移方面也發(fā)揮著(zhù)重要作用。舉例來(lái)說(shuō)，各國之間的交通標志會(huì )略有不同。歐洲國家的車(chē)速限制交通標志是一個(gè)紅色的圓圈，而美國的則是長(cháng)方形的。

　　高效的識別技術(shù)有助于將交通標志高效轉換并壓縮為基本的數據庫?？删幊烫幚砥魇归_(kāi)發(fā)人員能在標志庫和基本數據庫間進(jìn)行切換。對眾多應用來(lái)說(shuō)，最方便的做法就是將標志庫和基本數據庫存儲在閃存存儲器中，這樣，當前處于工作狀態(tài)的基本數據庫就能與閃存存儲器中的標志庫內容適當切換，滿(mǎn)足汽車(chē)跨國行駛的要求。

　　可編程 DSP 具備動(dòng)態(tài)靈活性，這提高了整體處理準確性與性能。我們可能用到多種預處理算法和后處理算法，具體取決于特定的環(huán)境和條件。舉例來(lái)說(shuō)，一些 OEM 廠(chǎng)商選用一種算法來(lái)應對所有的環(huán)境條件；而其他廠(chǎng)商則可能采用一種算法來(lái)處理白天陽(yáng)光明媚的環(huán)境，另一種算法來(lái)處理夜間駕駛環(huán)境。

　　不過(guò)，駕駛環(huán)境可能瞬息萬(wàn)變，比方說(shuō)車(chē)輛穿過(guò)隧道行駛，這時(shí)系統必須快速進(jìn)行自適應調整。
達芬奇開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)一步提高了軟件可編程性，不僅能夠簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，而且還使開(kāi)發(fā)人員能用 C 語(yǔ)言創(chuàng )建應用，以及通過(guò)高級編程環(huán)境加快新算法的原型設計。此外，TI 還提供成熟穩健的框架，其為開(kāi)發(fā)人員集成了 DSP/BIOS實(shí)時(shí)內核和系統驅動(dòng)程序等重要的軟件組件。

　　TI 業(yè)界領(lǐng)先的開(kāi)發(fā)環(huán)境、功能強大的專(zhuān)用工具以及廣泛而豐富的圖像庫還可為開(kāi)發(fā)人員提供綜合而全面的技術(shù)，幫助他們將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短達數月之久。DM643x 達芬奇處理器能夠與 TI 業(yè)經(jīng)驗證的 TMS320C64x DSP 核心實(shí)現后向兼容，不僅能支持基于達芬奇技術(shù)的設計，充分發(fā)揮現有軟件 IP 的作用，同時(shí)還展現了 TI 在保持 TMS320DM64x 系列器件穩定性方面所做的不懈努力，TI 業(yè)界領(lǐng)先的開(kāi)發(fā)環(huán)境、功能強大的專(zhuān)用工具以及廣泛而豐富的圖像庫還可為開(kāi)發(fā)人員提供綜合而全面的技術(shù)，幫助他們將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短達數月之久。DM643x 達芬奇處理器能夠與 TI 業(yè)經(jīng)驗證的 TMS320C64x DSP 核心實(shí)現后向兼容，不僅能支持基于達芬奇技術(shù)的設計，充分發(fā)揮現有軟件 IP 的作用，同時(shí)還展現了 TI 在保持 TMS320DM64x 系列器件穩定性方面所做的不懈努力，以確保汽車(chē) OEM 廠(chǎng)商能在今后持續利用達芬奇技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

　　達芬奇技術(shù)為數字視頻應用提供了不可多得的專(zhuān)用處理器，將數字信號處理技術(shù)與視頻加速器技術(shù)進(jìn)行了完美集成?；谶_芬奇技術(shù)的 DM643x 處理器可在同一芯片上提供所有必須的處理功能，并且這些處理器還與所有外設進(jìn)行了集成，可實(shí)現整套視頻/影像處理系統所需的全部功能。因此，開(kāi)發(fā)人員不用再為如何讓不同組件協(xié)作而花費寶貴的時(shí)間，因為各種組件已經(jīng)實(shí)現了高度集成。

　　達芬奇效應

　　舉例來(lái)說(shuō)，TMS320DM6437 處理器為關(guān)鍵處理功能提供了功能強大的視頻前端，同時(shí)還提供視頻后端，可顯示處理后的圖像，比方說(shuō)泊車(chē)輔助監控以及夜視應用等(請參見(jiàn)圖 2)。從外設角度來(lái)說(shuō)，三種 DM643x 器件具備集成的高端 CAN 控制器以及 SPI 和 UART 外設，這樣就能與任何汽車(chē)系統的 CAN 或 LIN 總線(xiàn)相結合。由于支持 DDR2 存儲器，因此還提高了可最大化系統性能的吞吐量。

　　此外，DM643x 處理器還提供了專(zhuān)為主動(dòng)安全與 ADAS 應用而精心優(yōu)化的功能。例如，視頻端口前端具備若干個(gè)預處理數據塊，可承擔主處理器的處理工作，從而就能在同一顆 DSP 上增加更多的增值主動(dòng)安全功能。具體說(shuō)來(lái)，前端提供了一個(gè)圖像縮放塊，能對圖像進(jìn)行放大或縮小，無(wú)需占用 CPU 循環(huán)就能將圖像調整至適當的分辨率，從而滿(mǎn)足圖像某個(gè)部分(所需區域)縮放到預定義大小的要求。

　　TMS320DM643x 處理器的視頻端口前端支持 BT656、YcrCb 或 Bayer 格式。TMS320DM6435 與 TMS320DM6437 處理器上的視頻端口前端還提供柱狀圖，可顯示捕獲幀的像素強度分布情況。利用柱狀圖信息，DSP 可調節對比度，從而提高識別精確度。視頻端口前端還支持從 Bayer 到 YcrCrb 的色域轉換，從而使 TMS320C64x+ DSP 內核可以集中精力去處理其它任務(wù)。

　　視頻處理涉及大量數據。處理器的片上存儲器資源有限，因此必須進(jìn)行有效管理，以使整體時(shí)延最小化，特別是在多種算法并行工作并共享可用資源時(shí)更要注意。

　　開(kāi)發(fā)人員可采用快速的二級高速緩存和增強型 DMA (EDMA) 來(lái)解決有關(guān)區域的問(wèn)題，從而減輕存儲器資源的負擔。在需要數據前通過(guò) EDMA 預加載內部存儲器，從而減少 CPU 訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器造成的開(kāi)銷(xiāo)。

　　DM643x 處理器的 EDMA 3.0 版能執行三維數據傳輸。其前身 EDMA 2.0 版上的端口只能支持二維傳輸。如果只需將圖像的一部分從源存儲器傳輸至目的存儲器，那么二維 DMA 傳輸就足夠了。如果需要傳輸圖像的多個(gè)部分，那么三維 DMA 就非常關(guān)鍵了。因此，在外部存儲器和片上存儲器間傳輸多個(gè)所需區域時(shí)，三維傳輸就非常重要，可直接提高效率。

　　DM643x 處理器支持多種不同的配置，同時(shí)通過(guò)采用達芬奇技術(shù)，進(jìn)一步擴展了其產(chǎn)品系列，這也帶來(lái)了增值效果。利用這種可擴展的器件，開(kāi)發(fā)人員能選擇用高性能的大存儲設備來(lái)進(jìn)行設計，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工作，在驗證設計理念后，則可采用較低端的設備，滿(mǎn)足不同性?xún)r(jià)比的優(yōu)化設計要求。

　　最后，DM643x 達芬奇器件還通過(guò)了 AEC-Q100 認證，這對希望在汽車(chē)應用中采用其產(chǎn)品的 OEM 廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，它確保了可接受的每百萬(wàn)缺陷率 (DPPM) 標準。支持達芬奇技術(shù)的 DM643x 架構是一種全新的設計，確保 OEM 廠(chǎng)商能滿(mǎn)足高標準的 AEC-Q100 規范要求。

　　TI 認為，工程師和業(yè)界領(lǐng)袖必須不斷前進(jìn)，推出適當的技術(shù)，并通過(guò)進(jìn)一步加大主動(dòng)安全系統和 ADAS 在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的推廣應用力度，幫助其減少交通事故的死亡率。有關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展還必須與向消費者的宣傳相結合，讓他們清楚地了解技術(shù)優(yōu)勢。TI對創(chuàng )新充滿(mǎn)著(zhù)熱情，為客戶(hù)提供所需的關(guān)鍵技術(shù)和組件，滿(mǎn)足不斷上升的主動(dòng)安全系統和 ADAS 的應用需求，隨著(zhù)上述技術(shù)的推廣，不斷減少交通事故和死亡率。TI為創(chuàng )新型軟硬件和工具進(jìn)行了大量投資，近期還組建了專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)主動(dòng)安全系統和 ADAS 技術(shù)的小組，并繼續保持其業(yè)界領(lǐng)先地位，長(cháng)期致力于汽車(chē)安全和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。