DSP和FPGA在汽車電子中的廣泛應用
1 引言
20世紀末,全球范圍內興起的信息革命浪潮,為汽車工業(yè)的突破性發(fā)展提供了千載難逢的機遇,信息技術的廣泛應用是解決汽車帶來的諸如交通擁擠、交通安全、環(huán)境污染、能源枯竭等問題的較佳途徑。同時,隨著汽車電子技術的發(fā)展,電子組件所占整車成本的比例也逐步上升。據(jù)統(tǒng)計資料表明,目前,在歐美國家生產(chǎn)的汽車上,電子組件已占到汽車總成本的20%~30%,并且,車用電子組件還以每年8.8%的速度快速增長,特別是數(shù)字信號處理器芯片(DSP)的用量更是將以每年25%的速度增長。估計到2005年,汽車電子組件的市場規(guī)模,將達到170億美元。由此可見,電子化、集成化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、智能化、小型化和個性化已經(jīng)成為并且還將繼續(xù)是汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。本文僅集中探討汽車電子中基于DSP和FPGA的數(shù)字化應用技術。
DSP和FPGA技術在許多領域均有廣泛的應用,在汽車電子領域也有它廣泛的應用舞臺。由于具有極強的實時性,使其對話音進行實時處理成為可能;由于它是通過面向芯片結構指令的軟件編程來實現(xiàn)其功能的,因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進系統(tǒng)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芯片并非專門為某種功能設計的,因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價格可以降到很低。所以,DSP和FPGA在汽車電子系統(tǒng)中大量應用,將會極大地促進汽車電子技術的發(fā)展。
2 DSP和FPGA在汽車電子中的應用比較
DSP作為可編程超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件,是通過可下載的軟件或固件來實現(xiàn)擴展算法和數(shù)字信號處理功能的,其較典型的用途是實現(xiàn)FIR濾波器和FFT算法。在硬件上,DSP較基本的構造單元是被稱為MAC的乘加器,它通常被集成在數(shù)據(jù)信道中,這使得指令周期時間可以跟硬件的算術周期時間相同。此外,DSP芯片還有若干個獨立的片內存儲器、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、時鐘中斷電路等。為滿足無線便攜式器件無電保存數(shù)據(jù)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。當前,大多數(shù)的DSP芯片采用改進的哈佛結構,即數(shù)據(jù)總線和地址總線相互分離,使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時進行,提高了處理效率。另外還采用了流水線技術,將取指、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟的指令時間可以重迭起來,大大提運算速度。
FPGA 指的是現(xiàn)場可編程門陣列,它的基本功能模塊是由n輸入的查找表,存儲數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),查找表就能夠通過對中的數(shù)據(jù)的讀取而實現(xiàn)輸入的任意布爾函數(shù)。觸發(fā)發(fā)器則用來存儲數(shù)據(jù),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)器用可編程的布線資源連接起來,就可以實現(xiàn)不同的組合邏輯和時序邏輯。由于FPGA內部結構的特點,它可以很容易的實現(xiàn)分布式的算法結構,這一點對實現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號處理十分有利。由于FPGA器件實現(xiàn)的各功能塊可以同時工作,從而實現(xiàn)指令級、比特級、流水線級甚至是任務級的并行執(zhí)行,從而大大地加快了計算速度。由FPGA實現(xiàn)的計算系統(tǒng)可以達到現(xiàn)有通用處理器的數(shù)百甚至上千倍。并且,由于FPGA可動態(tài)地配置,系統(tǒng)的硅片面積不再是所支持無線接口數(shù)的線形函數(shù),因此有可能在很少的幾片甚至一片F(xiàn)PGA中集成一個支持所有標準的系統(tǒng)。不過,由于現(xiàn)有的FPGA的開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗證而設計的,導致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(fā)時間上效率非常高, 而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語言可大大提高設計能力,但在較大限度地發(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布局布線的優(yōu)化和約束。
3 汽車電子中的DSP和FPGA應用
提到汽車電子的數(shù)字化,不能不想到目前無線通信很看好的軟件無線電技術,盡管它是針對無線通信的,但軟件無線電所要實現(xiàn)的思想,與汽車電子之所以要數(shù)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的實現(xiàn)思路和思想。軟件無線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、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術在無線通信中應用的產(chǎn)物;它所追求的基本思想和目標是:構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺,將多種功能,如工作頻段、調制解調類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成,以實現(xiàn)具有高度靈活性,開放性的通信產(chǎn)品。因此,對于汽車電子數(shù)字化產(chǎn)品的研究,完全可以吸取軟件無線電的以下主要思想:第一,要使汽車電子產(chǎn)品擺脫硬件結構的束縛;第二,并不是不要硬件;第三,汽車電子產(chǎn)品應該具有開放性和兼容性,開放是指對使用的開放、對生產(chǎn)的開放和對研制的開放。下面,就基于軟件無線電的思想探討DSP和FPGA在汽車電子中的主要應用。
3.1基于DSP和FPGA的車用語音信號處理
汽車電子產(chǎn)品中的語音處理主要涉及到語音的數(shù)字化處理、語音編解碼、語音壓縮和語音識別。國外比較熱門的汽車電子產(chǎn)品之一就是語音識別系統(tǒng),語音識別系統(tǒng)具有潛在的應用前景,包括聲控電話、語音操作導航、聲控選擇廣播頻道、防盜語音鑒別等。例如,一種基于隱式馬可夫模型(HMM)的與講話人無關、100條指令識別的應用,由文獻可知,那幺聲學HMM模型的大小將為。進行包括輸入語音采樣的細分/開窗、MFCC提取、概率計算和Viterbi搜尋等適時處理,對DSP的運算量要求一般為10000萬次乘加(MAC)運算。對于連續(xù)語音信號的識別,則要求更好的數(shù)字信號處理速度和更大的存儲空間。
由于語音識別系統(tǒng)要對聲音進行實時處理和采樣,需要大量的運算,如果以它們20%的計算資源分配用于1000萬次MAC語音識別應用,那么需要處理器能夠具有5000萬次MAC的能力。因此,必須采用DSP和FPGA才能完成其任務。DSP和FPGA的處理速度對語音信號處理應用系統(tǒng)的復雜性和性能起著決定性作用,高速DSP和FPGA的實現(xiàn)可實現(xiàn)聲道自適應和聲域自適應等現(xiàn)代語音處理和識別技術。從理論上講,DSP和FPGA處理速度越快,汽車語音處理和識別產(chǎn)品的應用性能就越好。
隨著應用日益多樣化, 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用邏輯“膠結”在一起形成專用DSP和FPGA方案,以滿足信號處理的需要。目前,還出現(xiàn)把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽車電子系統(tǒng)使用通用DSP和FPGA來實現(xiàn)語音合成,糾錯編碼。而語音合成、語音壓縮與編碼是DSP較早和較廣泛的應用,矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中。
3.2 基于DSP和FPGA的車用圖像信號處理
數(shù)字圖像處理與分析技術已是一門較為成熟的二維信號處理技術, 現(xiàn)已被廣泛應用于通信、生物醫(yī)學、工業(yè)檢測和軍事等各個方面,當然在汽車電子中也將涉及到大量的圖像處理處理。汽車電子中的圖像處理主要包括運動圖像處理和靜止圖像處理。目前,很多行業(yè)的汽車都已經(jīng)開通了全球定位系統(tǒng)(GPS)。車載GPS系統(tǒng)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(xiàn)場圖景、緊急救災現(xiàn)場圖像等。同時,各個交通路口的流量監(jiān)控圖像要傳回交通指揮中心,也需要進行圖像信號的處理。對于這種汽車運動圖像,主要特點是:第一,多速率壓縮。由于無線信道的時變特性,系統(tǒng)的有效帶寬、傳輸方式和數(shù)據(jù)速率往往會不斷的變化;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(shù)據(jù)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,運動圖像的運動補償。運動圖像由于它本身的相對運動,會有多普勒頻移問題。對于高速運動的汽車來說,這種頻移往往是不能忽視,必須對所獲圖像進行運動補償。
近年來,隨著微電子技術的迅猛發(fā)展和芯片制造工藝的提高,DSP和FPGA不斷涌現(xiàn),過去的一個機箱、甚至一個機柜的信號處理系統(tǒng),現(xiàn)在完全可以由單片的DSP或FPGA來完成,系統(tǒng)設計也將從過去的PCB板設計過渡到VLSI與UVLSI (甚大規(guī)模集成電路)芯片的設計。與此同時,由于DSP和FPGA技術的大量采用,數(shù)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(tǒng), 或帶陣列DSP和FPGA的高速處理系統(tǒng)。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展, 以及人們對數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實時性的要求也越來越高, 基于DSP和FPGA的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在汽車電子產(chǎn)品中的應用范圍將會越來越廣, 例如車載會議電視、車載可視電話、車載機器視覺等。
3.3 基于DSP和FPGA的車用自適應實時處理
FPGA的時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時信號處理領域。如前所述,由于FPGA內部結構的特點,它可以很容易的實現(xiàn)分布式的算法結構,這一點對實現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號處理十分有利。因為汽車電子產(chǎn)品中通常都需要大量的濾波運算,而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作,而通過分布式的算術結構,F(xiàn)PGA可以有效地實現(xiàn)乘和累加操作。另一方面,需要的大量的復雜的數(shù)學運算,可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來完成的。在汽車電子產(chǎn)品中,對產(chǎn)品的大小、重量、功耗特別關注;在數(shù)據(jù)傳輸方面,在汽車電子系統(tǒng)中由聲音信號數(shù)字化所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),要依靠高性能的DSP和FPGA來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)議處理等任務進行自適應實時處理,這是往往非DSP和FPGA不能完成的。
控制理論處理是汽車電子中的難點和重點問題,利用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論而建立的開環(huán)、死循環(huán)、較優(yōu)、自適應控制系統(tǒng)來實現(xiàn)汽車的較優(yōu)化控制。建立這些控制系統(tǒng)首先對汽車某個系統(tǒng),如點火提前角優(yōu)化控制系統(tǒng)進行識別,建立該系統(tǒng)
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