在汽車應(yīng)用中通過高性能技術(shù)提高安全性

　　汽車分析師認(rèn)為，主動(dòng)安全系統(tǒng)與 高級駕駛輔助系統(tǒng)(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，也能顯著降低事故的嚴(yán)重性。車道偏離預(yù)警系統(tǒng) (LDWS)、睡意檢測以及夜視技術(shù)等將成為今后五年內(nèi)高速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)復(fù)合年均增長率 (CAGR) 將超過 50%(資料來源：《2004 至 2013 年車載半導(dǎo)體預(yù)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)。

　　在進(jìn)行市場營銷時(shí)，應(yīng)積極向消費(fèi)者宣傳上述系統(tǒng)的優(yōu)勢，預(yù)計(jì)他們將非常樂于接受這種新技術(shù)，進(jìn)而需求也會相應(yīng)增長。對于汽車  OEM 廠商而言，在引擎、被動(dòng)安全系統(tǒng)以及信息娛樂設(shè)備已成為當(dāng)前智能化汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之際，主動(dòng)安全系統(tǒng)與 ADAS 還能作為產(chǎn)品差異化的增值亮點(diǎn)。憑借其達(dá)芬奇技術(shù) (DaVinci) 與專為車載安全應(yīng)用設(shè)計(jì)而精心優(yōu)化的最新 TMS320DM643x 處理器，TI 為 OEM 廠商帶來了可幫助他們向當(dāng)前市場快速推出主動(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(tǒng)基礎(chǔ)

　　不過，主動(dòng)安全系統(tǒng)與 ADAS 并不是完全無需駕駛?cè)藛T干預(yù)就能完全控制汽車的保護(hù)技術(shù)，而是要為駕駛?cè)藛T提供車輛周邊的操作和環(huán)境條件的相關(guān)信息，以提高汽車的整體安全性。通常說來，這些系統(tǒng)會發(fā)出適當(dāng)?shù)念A(yù)警，警告駕駛?cè)藛T可能存在潛在危險(xiǎn)，不過在特定條件下，主動(dòng)安全系統(tǒng)也能自行做出干預(yù)，比方說自適應(yīng)巡航控制等。主動(dòng)安全系統(tǒng)目前僅在豪華轎車中處于早期實(shí)施階段，預(yù)計(jì)今后該技術(shù)將普遍用于各類汽車中，隨著技術(shù)的不斷普及和成熟，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益將日益突顯。

　　舉例來說，當(dāng)前正處于開發(fā)階段以及已在汽車中部署的主動(dòng)安全系統(tǒng)包括車道偏離預(yù)警、線內(nèi)行駛輔助 (lane keep assistance)、交通標(biāo)志識別、盲區(qū)檢測和睡意檢測等。眾多主動(dòng)安全系統(tǒng)均采用圖像傳感器來收集可視數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，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(yīng)用中，我們可采用不同類型的傳感器來收集環(huán)境信息：盲區(qū)檢測系統(tǒng)通常采用紅外傳感器或圖像傳感器，自適應(yīng)巡航控制采用雷達(dá) (RADAR)或激光雷達(dá) (LIDAR)，而超生傳感器則用于泊車輔助，等等。交通標(biāo)志識別應(yīng)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(yīng)用。某些主動(dòng)安全應(yīng)用中的圖像傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍每像素超過 8 位。對于高級應(yīng)用而言，每種應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理過程都比較類似，其中包括數(shù)據(jù)捕獲、準(zhǔn)備處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行專用處理、評估結(jié)果，最后再采取行動(dòng)(如圖 1 所示)。

　　舉例來說，在實(shí)施車道偏離預(yù)警時(shí)，系統(tǒng)需要識別道路標(biāo)線并跟蹤其位置。若汽車沒打轉(zhuǎn)向燈就越線的話，那么系統(tǒng)會對駕駛?cè)藛T做出提醒。同樣，交通標(biāo)志識別系統(tǒng)采用圖像傳感器捕獲的數(shù)據(jù)來檢測并識別各種標(biāo)志類別。例如，駕駛?cè)藛T遇到限速 65 MPH 的標(biāo)志牌時(shí)可以加速，但遇到停止路標(biāo)時(shí)就不能加速。睡意檢測應(yīng)用要求較高的計(jì)算強(qiáng)度，如果駕駛?cè)藛T手握方向盤打上了瞌睡，那么就會發(fā)出警報(bào)。

　　根據(jù)所需不同類型的安全功能，我們應(yīng)在車內(nèi)配備多種類型的傳感器，以提高整體覆蓋面。舉例來說，車道偏離功能要用到前視和后視傳感器收集的數(shù)據(jù)，交通標(biāo)志識別系統(tǒng)要用到前視傳感器，睡意檢測則用到在車內(nèi)安裝的正對著駕駛?cè)藛T的傳感器。

　　不過，識別、跟蹤并評估駕駛對象是一種非常復(fù)雜的工作。駕駛條件會有各種各樣的差別，區(qū)別極大，這會影響傳感器數(shù)據(jù)收集的質(zhì)量。舉例來說，上述系統(tǒng)必須支持日夜工作，不管汽車快速還是慢速行駛，是變線還是在大晴天、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(xì)節(jié)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 30 ms。警報(bào)若有半秒鐘的時(shí)延，則可能決定生死，要么駕駛?cè)藛T能成功避開，要么就會發(fā)生車禍。

　　車內(nèi)安裝的傳感器會針對汽車的內(nèi)外部環(huán)境提供局部圖像。車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(diào)車中的所有主動(dòng)安全和 ADAS 系統(tǒng)。盡管許多功能可以進(jìn)行獨(dú)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(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評估。設(shè)計(jì)上述系統(tǒng)的部分挑戰(zhàn)在于，不僅要確定是否發(fā)出警報(bào)信號，還要確定何時(shí)發(fā)出。

　　舉例來說，不妨設(shè)想一下汽車逐漸離開所行駛的車道時(shí)的情況，這是變線時(shí)肯定要發(fā)生的，駕駛?cè)藛T不希望在路上每次變線時(shí)打了轉(zhuǎn)向燈后都會接到警報(bào)。不過，如果駕駛?cè)藛T現(xiàn)在沒有看著路面情況，比方說睡意檢測功能發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)藛T頭朝向側(cè)面或者向前點(diǎn)頭，那么車道偏離功能發(fā)出警報(bào)的可能性就會加大。顯然，如果駕駛?cè)藛T正關(guān)注著路面可能發(fā)生危險(xiǎn)的情況，那么對預(yù)警效率會有直接的影響，即警報(bào)就不用那么快發(fā)出。此外還能支持許多其他情況：比方說汽車快速接近在當(dāng)前車道上停止或減速的汽車時(shí)，可能需要快速變線，要是這時(shí)不發(fā)出車道偏離預(yù)警可能就會導(dǎo)致駕駛?cè)藛T難以成功完成變線操作。不過，如果盲區(qū)識別功能檢測到車左側(cè)還有其他車輛的話，則系統(tǒng)就會禁止變線。

　　主動(dòng)安全系統(tǒng)的每個(gè)階段都要求大量的信號處理資源?？傮w說來，系統(tǒng)需要高性能的實(shí)時(shí)處理功能為駕駛?cè)藛T提供準(zhǔn)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(shù)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(tǒng)實(shí)施方案。

　　單芯片架構(gòu)的優(yōu)勢

　　由于多級主動(dòng)安全和 ADAS 系統(tǒng)都密切協(xié)作，共同處理大量數(shù)據(jù)，因此我們應(yīng)在單個(gè)處理器上運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用。舉例來說，正向圖像傳感器捕獲到的視頻可同時(shí)用于車道偏離警告和交通標(biāo)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(shù)量，從而減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了系統(tǒng)成本，這些都是在開發(fā)魯棒性汽車應(yīng)用時(shí)的關(guān)鍵因素。

　　TI 已設(shè)計(jì)出 TMS320DM643x 器件來滿足高性能要求，并盡可能降低系統(tǒng)成本。TMS320DM643x 器件采用達(dá)芬奇技術(shù)，并配套提供完整的開發(fā)環(huán)境及軟件，有助于加速產(chǎn)品開發(fā)與部署，有望在 2007 年年初推出。

　　要想開發(fā)出魯棒性較高的主動(dòng)安全系統(tǒng)，其關(guān)鍵要求就是靈活性。隨著各個(gè)公司不斷改進(jìn)算法，算法的實(shí)施應(yīng)當(dāng)更為方便?？删幊誊浖軜?gòu)為開發(fā)人員提供了這種靈活性和高性能，而這正是固定 ASIC 實(shí)施所無法企及的?？删幊烫幚砥鬟€為開發(fā)新技術(shù)提供了理想的平臺，因?yàn)檐浖夹g(shù)更便于創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)與部署。

　　極度靈活性

　　靈活性在管理主動(dòng)安全系統(tǒng)技術(shù)在全球產(chǎn)品線中的知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移方面也發(fā)揮著重要作用。舉例來說，各國之間的交通標(biāo)志會略有不同。歐洲國家的車速限制交通標(biāo)志是一個(gè)紅色的圓圈，而美國的則是長方形的。

　　高效的識別技術(shù)有助于將交通標(biāo)志高效轉(zhuǎn)換并壓縮為基本的數(shù)據(jù)庫?？删幊烫幚砥魇归_發(fā)人員能在標(biāo)志庫和基本數(shù)據(jù)庫間進(jìn)行切換。對眾多應(yīng)用來說，最方便的做法就是將標(biāo)志庫和基本數(shù)據(jù)庫存儲在閃存存儲器中，這樣，當(dāng)前處于工作狀態(tài)的基本數(shù)據(jù)庫就能與閃存存儲器中的標(biāo)志庫內(nèi)容適當(dāng)切換，滿足汽車跨國行駛的要求。

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

　　不過，駕駛環(huán)境可能瞬息萬變，比方說車輛穿過隧道行駛，這時(shí)系統(tǒng)必須快速進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。
達(dá)芬奇開發(fā)環(huán)境進(jìn)一步提高了軟件可編程性，不僅能夠簡化開發(fā)，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，而且還使開發(fā)人員能用 C 語言創(chuàng)建應(yīng)用，以及通過高級編程環(huán)境加快新算法的原型設(shè)計(jì)。此外，TI 還提供成熟穩(wěn)健的框架，其為開發(fā)人員集成了 DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序等重要的軟件組件。

　　TI 業(yè)界領(lǐng)先的開發(fā)環(huán)境、功能強(qiáng)大的專用工具以及廣泛而豐富的圖像庫還可為開發(fā)人員提供綜合而全面的技術(shù)，幫助他們將開發(fā)時(shí)間縮短達(dá)數(shù)月之久。DM643x 達(dá)芬奇處理器能夠與 TI 業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的 TMS320C64x DSP 核心實(shí)現(xiàn)后向兼容，不僅能支持基于達(dá)芬奇技術(shù)的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮現(xiàn)有軟件 IP 的作用，同時(shí)還展現(xiàn)了 TI 在保持 TMS320DM64x 系列器件穩(wěn)定性方面所做的不懈努力，TI 業(yè)界領(lǐng)先的開發(fā)環(huán)境、功能強(qiáng)大的專用工具以及廣泛而豐富的圖像庫還可為開發(fā)人員提供綜合而全面的技術(shù)，幫助他們將開發(fā)時(shí)間縮短達(dá)數(shù)月之久。DM643x 達(dá)芬奇處理器能夠與 TI 業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的 TMS320C64x DSP 核心實(shí)現(xiàn)后向兼容，不僅能支持基于達(dá)芬奇技術(shù)的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮現(xiàn)有軟件 IP 的作用，同時(shí)還展現(xiàn)了 TI 在保持 TMS320DM64x 系列器件穩(wěn)定性方面所做的不懈努力，以確保汽車 OEM 廠商能在今后持續(xù)利用達(dá)芬奇技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)。

　　達(dá)芬奇技術(shù)為數(shù)字視頻應(yīng)用提供了不可多得的專用處理器，將數(shù)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。基于達(dá)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(shè)進(jìn)行了集成，可實(shí)現(xiàn)整套視頻/影像處理系統(tǒng)所需的全部功能。因此，開發(fā)人員不用再為如何讓不同組件協(xié)作而花費(fèi)寶貴的時(shí)間，因?yàn)楦鞣N組件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度集成。

　　達(dá)芬奇效應(yīng)

　　舉例來說，TMS320DM6437 處理器為關(guān)鍵處理功能提供了功能強(qiáng)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，比方說泊車輔助監(jiān)控以及夜視應(yīng)用等(請參見圖 2)。從外設(shè)角度來說，三種 DM643x 器件具備集成的高端 CAN 控制器以及 SPI 和 UART 外設(shè)，這樣就能與任何汽車系統(tǒng)的 CAN 或 LIN 總線相結(jié)合。由于支持 DDR2 存儲器，因此還提高了可最大化系統(tǒng)性能的吞吐量。

　　此外，DM643x 處理器還提供了專為主動(dòng)安全與 ADAS 應(yīng)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(yù)處理數(shù)據(jù)塊，可承擔(dān)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。具體說來，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，無需占用 CPU 循環(huán)就能將圖像調(diào)整至適當(dāng)?shù)姆直媛?，從而滿足圖像某個(gè)部分(所需區(qū)域)縮放到預(yù)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(qiáng)度分布情況。利用柱狀圖信息，DSP 可調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換，從而使 TMS320C64x+ DSP 內(nèi)核可以集中精力去處理其它任務(wù)。

　　視頻處理涉及大量數(shù)據(jù)。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。

　　開發(fā)人員可采用快速的二級高速緩存和增強(qiáng)型 DMA (EDMA) 來解決有關(guān)區(qū)域的問題，從而減輕存儲器資源的負(fù)擔(dān)。在需要數(shù)據(jù)前通過 EDMA 預(yù)加載內(nèi)部存儲器，從而減少 CPU 訪問外部存儲器造成的開銷。

　　DM643x 處理器的 EDMA 3.0 版能執(zhí)行三維數(shù)據(jù)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(qū)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)通過采用達(dá)芬奇技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展了其產(chǎn)品系列，這也帶來了增值效果。利用這種可擴(kuò)展的器件，開發(fā)人員能選擇用高性能的大存儲設(shè)備來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以簡化開發(fā)工作，在驗(yàn)證設(shè)計(jì)理念后，則可采用較低端的設(shè)備，滿足不同性價(jià)比的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

　　最后，DM643x 達(dá)芬奇器件還通過了 AEC-Q100 認(rèn)證，這對希望在汽車應(yīng)用中采用其產(chǎn)品的 OEM 廠商來說是至關(guān)重要的，它確保了可接受的每百萬缺陷率 (DPPM) 標(biāo)準(zhǔn)。支持達(dá)芬奇技術(shù)的 DM643x 架構(gòu)是一種全新的設(shè)計(jì)，確保 OEM 廠商能滿足高標(biāo)準(zhǔn)的 AEC-Q100 規(guī)范要求。

　　TI 認(rèn)為，工程師和業(yè)界領(lǐng)袖必須不斷前進(jìn)，推出適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，并通過進(jìn)一步加大主動(dòng)安全系統(tǒng)和 ADAS 在汽車產(chǎn)業(yè)的推廣應(yīng)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(fèi)者的宣傳相結(jié)合，讓他們清楚地了解技術(shù)優(yōu)勢。TI對創(chuàng)新充滿著熱情，為客戶提供所需的關(guān)鍵技術(shù)和組件，滿足不斷上升的主動(dòng)安全系統(tǒng)和 ADAS 的應(yīng)用需求，隨著上述技術(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，近期還組建了專門開發(fā)主動(dòng)安全系統(tǒng)和 ADAS 技術(shù)的小組，并繼續(xù)保持其業(yè)界領(lǐng)先地位，長期致力于汽車安全和汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。