DSP和FPGA在汽車電子中的廣泛應(yīng)用

1 　引言

　　20世紀(jì)末，全球范圍內(nèi)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(jī)遇，信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用是解決汽車帶來(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)，隨著汽車電子技術(shù)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(jì)資料表明，目前，在歐美國(guó)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(zhǎng)，特別是數(shù)字信號(hào)處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年25％的速度增長(zhǎng)。估計(jì)到2005年，汽車電子組件的市場(chǎng)規(guī)模，將達(dá)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(luò)化、智能化、小型化和個(gè)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(shì)。本文僅集中探討汽車電子中基于DSP和FPGA的數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)。

　　DSP和FPGA技術(shù)在許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，在汽車電子領(lǐng)域也有它廣泛的應(yīng)用舞臺(tái)。由于具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，使其對(duì)話音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能；由于它是通過(guò)面向芯片結(jié)構(gòu)指令的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺(tái)就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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在汽車電子系統(tǒng)中大量應(yīng)用，將會(huì)極大地促進(jìn)汽車電子技術(shù)的發(fā)展。

　　2　 DSP和FPGA在汽車電子中的應(yīng)用比較

　　DSP作為可編程超大規(guī)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(xiàn)擴(kuò)展算法和數(shù)字信號(hào)處理功能的，其最典型的用途是實(shí)現(xiàn)FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構(gòu)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(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(dú)立的片內(nèi)存儲(chǔ)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(shí)鐘中斷電路等。為滿足無(wú)線便攜式器件無(wú)電保存數(shù)據(jù)的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)器等技術(shù)。當(dāng)前，大多數(shù)的DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，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(shí)進(jìn)行，提高了處理效率。另外還采用了流水線技術(shù)，將取指、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟的指令時(shí)間可以重迭起來(lái)，大大提運(yùn)算速度。

　　FPGA 指的是現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復(fù)路器等組成。這樣，只要正確地設(shè)置了其中的數(shù)據(jù)，查找表就能夠通過(guò)對(duì)中的數(shù)據(jù)的讀取而實(shí)現(xiàn)輸入的任意布爾函數(shù)。觸發(fā)發(fā)器則用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息。復(fù)路器可以選擇不同的輸入信號(hào)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(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)不同的組合邏輯和時(shí)序邏輯。由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。由于FPGA器件實(shí)現(xiàn)的各功能塊可以同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)指令級(jí)、比特級(jí)、流水線級(jí)甚至是任務(wù)級(jí)的并行執(zhí)行，從而大大地加快了計(jì)算速度。由FPGA實(shí)現(xiàn)的計(jì)算系統(tǒng)可以達(dá)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(dòng)態(tài)地配置，系統(tǒng)的硅片面積不再是所支持無(wú)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(gè)支持所有標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。不過(guò)，由于現(xiàn)有的FPGA的開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗(yàn)證而設(shè)計(jì)的，導(dǎo)致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(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(shè)計(jì)能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設(shè)計(jì)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(yīng)用

　　提到汽車電子的數(shù)字化，不能不想到目前無(wú)線通信很看好的軟件無(wú)線電技術(shù)，盡管它是針對(duì)無(wú)線通信的，但軟件無(wú)線電所要實(shí)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(biāo)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(xiàn)思路和思想。軟件無(wú)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(dāng)今計(jì)算技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無(wú)線通信中應(yīng)用的產(chǎn)物；它所追求的基本思想和目標(biāo)是：構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將多種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成，以實(shí)現(xiàn)具有高度靈活性，開放性的通信產(chǎn)品。因此，對(duì)于汽車電子數(shù)字化產(chǎn)品的研究，完全可以吸取軟件無(wú)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(jié)構(gòu)的束縛；第二，并不是不要硬件；第三，汽車電子產(chǎn)品應(yīng)該具有開放性和兼容性，開放是指對(duì)使用的開放、對(duì)生產(chǎn)的開放和對(duì)研制的開放。下面，就基于軟件無(wú)線電的思想探討DSP和FPGA在汽車電子中的主要應(yīng)用。

　　3.1基于DSP和FPGA的車用語(yǔ)音信號(hào)處理

　　汽車電子產(chǎn)品中的語(yǔ)音處理主要涉及到語(yǔ)音的數(shù)字化處理、語(yǔ)音編解碼、語(yǔ)音壓縮和語(yǔ)音識(shí)別。國(guó)外比較熱門的汽車電子產(chǎn)品之一就是語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用前景，包括聲控電話、語(yǔ)音操作導(dǎo)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）的與講話人無(wú)關(guān)、 100條指令識(shí)別的應(yīng)用，由文獻(xiàn)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(xì)分/開窗、MFCC提取、概率計(jì)算和Viterbi搜尋等適時(shí)處理，對(duì)DSP的運(yùn)算量要求一般為10000萬(wàn)次乘加（MAC）運(yùn)算。對(duì)于連續(xù)語(yǔ)音信號(hào)的識(shí)別，則要求更好的數(shù)字信號(hào)處理速度和更大的存儲(chǔ)空間。

　　由于語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)要對(duì)聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和采樣，需要大量的運(yùn)算，如果以它們20%的計(jì)算資源分配用于1000萬(wàn)次MAC語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)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(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性和性能起著決定性作用，高速DSP和FPGA的實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)聲道自適應(yīng)和聲域自適應(yīng)等現(xiàn)代語(yǔ)音處理和識(shí)別技術(shù)。從理論上講，DSP和FPGA處理速度越快，汽車語(yǔ)音處理和識(shí)別產(chǎn)品的應(yīng)用性能就越好。

　　隨著應(yīng)用日益多樣化， DSP和FPGA演變成不再是一塊獨(dú)立的芯片，而變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計(jì)師能選擇合適的內(nèi)核和專用邏輯“膠結(jié)”在一起形成專用DSP和FPGA方案，以滿足信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音合成，糾錯(cuò)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(yīng)用，矢量編碼器用于將語(yǔ)音信號(hào)壓縮到有限帶寬的信道中。