DSP和FPGA在汽車電子中的廣泛應(yīng)用

　　3.2 基于DSP和FPGA的車用圖像信號(hào)處理

　　數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)已是一門較為成熟的二維信號(hào)處理技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于通信、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)和軍事等各個(gè)方面，當(dāng)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(yùn)動(dòng)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(kāi)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(biāo)信息，還需傳送自己所處環(huán)境的圖像信息，例如救護(hù)傷員的現(xiàn)場(chǎng)圖景、緊急救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像等。同時(shí)，各個(gè)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(jìn)行圖像信號(hào)的處理。對(duì)于這種汽車運(yùn)動(dòng)圖像，主要特點(diǎn)是：第一，多速率壓縮。由于無(wú)線信道的時(shí)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(huì)不斷的變化；相應(yīng)地，需要采用多速率壓縮方式，靈活地適應(yīng)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(yīng)傳輸帶寬的要求。第三，運(yùn)動(dòng)圖像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)圖像由于它本身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)有多普勒頻移問(wèn)題。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的汽車來(lái)說(shuō)，這種頻移往往是不能忽視，必須對(duì)所獲圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

　　近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和芯片制造工藝的提高，DSP和FPGA不斷涌現(xiàn)，過(guò)去的一個(gè)機(jī)箱、甚至一個(gè)機(jī)柜的信號(hào)處理系統(tǒng)，現(xiàn)在完全可以由單片的DSP或FPGA來(lái)完成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也將從過(guò)去的PCB板設(shè)計(jì)過(guò)渡到VLSI與UVLSI (甚大規(guī)模集成電路)芯片的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，由于DSP和FPGA技術(shù)的大量采用，數(shù)字圖像處理就硬件結(jié)構(gòu)方面也發(fā)生了重大變化，它已由基本的串行結(jié)構(gòu)發(fā)展成平行處理結(jié)構(gòu)，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(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 以及人們對(duì)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求也越來(lái)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(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣， 例如車載會(huì)議電視、車載可視電話、車載機(jī)器視覺(jué)等。

　　3.3 基于DSP和FPGA的車用自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理

　　FPGA的時(shí)鐘延遲可以達(dá)到納秒級(jí)，結(jié)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(hào)處理領(lǐng)域。如前所述，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。因?yàn)槠囯娮赢a(chǎn)品中通常都需要大量的濾波運(yùn)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(guò)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA可以有效地實(shí)現(xiàn)乘和累加操作。另一方面，需要的大量的復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來(lái)完成的。在汽車電子產(chǎn)品中，對(duì)產(chǎn)品的大小、重量、功耗特別關(guān)注；在數(shù)據(jù)傳輸方面，在汽車電子系統(tǒng)中由聲音信號(hào)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(lái)減少存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的要求，需要對(duì)視頻信號(hào)與音頻信號(hào)的編碼、解碼、彩色空間轉(zhuǎn)換、回音消除、濾波、誤碼校正、復(fù)用、比特流協(xié)議處理等任務(wù)進(jìn)行自適應(yīng)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電子中的難點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題，利用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論而建立的開(kāi)環(huán)、死循環(huán)、最優(yōu)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的最優(yōu)化控制。建立這些控制系統(tǒng)首先對(duì)汽車某個(gè)系統(tǒng)，如點(diǎn)火提前角優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后采用相應(yīng)的控制方法進(jìn)行優(yōu)化控制。但是發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響點(diǎn)火的因素較多，理論推導(dǎo)優(yōu)化點(diǎn)火狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型比較困難。因此，一般采用實(shí)驗(yàn)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(chǔ)器中；這樣可以避免使用計(jì)算機(jī)。在控制過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)檢測(cè)到轉(zhuǎn)向和制動(dòng)狀況的信號(hào)后，能自適應(yīng)地處理車輛的側(cè)傾、前后仰，并自動(dòng)調(diào)整減震器阻尼力的控制系統(tǒng)，它能防止傾斜并提高車輪的地面附著力，超聲波高度傳感器用來(lái)控制車身高度，空氣彈簧用來(lái)調(diào)整彈性系統(tǒng)，光柵檢測(cè)器用來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)向角等等。而DSP和FPGA的出現(xiàn)和發(fā)展應(yīng)用，已使各系統(tǒng)控制走向集中，形成整車的智能控制系統(tǒng)。

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

　　4 　發(fā)展展望

　　縱觀近幾十年來(lái)汽車技術(shù)的重大成就，大都是在應(yīng)用電子技術(shù)上進(jìn)行的突破，電子技術(shù)已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿υ慈?。DSP和FPGA的出現(xiàn)給汽車產(chǎn)品和汽車電子技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化，世界汽車工業(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的汽車電子產(chǎn)品能夠滿足未來(lái)的汽車發(fā)展的需要，并且，在多種車型并存的時(shí)代里，由以DSP和 FPGA為核心所構(gòu)建的通用硬件平臺(tái)，可以通過(guò)不同的軟件加載的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這種兼容。伴隨著未來(lái)汽車電子技術(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(shì)有：在單片DSP中實(shí)現(xiàn)多個(gè)MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線和數(shù)據(jù)總線、更高的工作頻率；從結(jié)構(gòu)上，采用SIMD以及MIMD，采用超長(zhǎng)指令等。就FPGA而言，由于亞微米工藝的采用，其速度更快，門數(shù)更多。目前Lucent和XILINX公司均有10 萬(wàn)門以上的產(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(guó)對(duì)于汽車電子系統(tǒng)的研究還不夠深入。汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、安全氣囊、自動(dòng)變速器和柴油機(jī)電控系統(tǒng)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。以汽車電子技術(shù)為代表的高新技術(shù)，正是我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。針對(duì)這種情況，我國(guó)汽車電子技術(shù)的研究不僅應(yīng)以汽車的節(jié)能、環(huán)保、安全為重點(diǎn)，力爭(zhēng)盡快掌握它們的核心技術(shù)，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，更應(yīng)以車載通信和高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)這類新興技術(shù)為突破口，依托國(guó)家信息技術(shù)研究的成果，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的車載計(jì)算和信息處理產(chǎn)品，帶動(dòng)整個(gè)汽車電子技術(shù)的進(jìn)步，提高我國(guó)汽車的電子化水平。