在汽車應用中通過高性能技術提高安全性

　　汽車分析師認為，主動安全系統(tǒng)與 高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)將成為 2010 年的頂級新技術，不僅能進一步避免事故的發(fā)生，即便發(fā)生事故，也能顯著降低事故的嚴重性。車道偏離預警系統(tǒng) (LDWS)、睡意檢測以及夜視技術等將成為今后五年內高速發(fā)展的應用領域，預計復合年均增長率 (CAGR) 將超過 50%(資料來源：《2004 至 2013 年車載半導體預測：安全性與便捷性電子技術將成為發(fā)展的關鍵》第 10 頁)。

　　在進行市場營銷時，應積極向消費者宣傳上述系統(tǒng)的優(yōu)勢，預計他們將非常樂于接受這種新技術，進而需求也會相應增長。對于汽車  OEM 廠商而言，在引擎、被動安全系統(tǒng)以及信息娛樂設備已成為當前智能化汽車的標準設備之際，主動安全系統(tǒng)與 ADAS 還能作為產品差異化的增值亮點。憑借其達芬奇技術 (DaVinci) 與專為車載安全應用設計而精心優(yōu)化的最新 TMS320DM643x 處理器，TI 為 OEM 廠商帶來了可幫助他們向當前市場快速推出主動安全與 ADAS 解決方案的先進技術。

　　主動安全與ADAS系統(tǒng)基礎

　　不過，主動安全系統(tǒng)與 ADAS 并不是完全無需駕駛人員干預就能完全控制汽車的保護技術，而是要為駕駛人員提供車輛周邊的操作和環(huán)境條件的相關信息，以提高汽車的整體安全性。通常說來，這些系統(tǒng)會發(fā)出適當的預警，警告駕駛人員可能存在潛在危險，不過在特定條件下，主動安全系統(tǒng)也能自行做出干預，比方說自適應巡航控制等。主動安全系統(tǒng)目前僅在豪華轎車中處于早期實施階段，預計今后該技術將普遍用于各類汽車中，隨著技術的不斷普及和成熟，規(guī)模經濟效益將日益突顯。

　　舉例來說，當前正處于開發(fā)階段以及已在汽車中部署的主動安全系統(tǒng)包括車道偏離預警、線內行駛輔助 (lane keep assistance)、交通標志識別、盲區(qū)檢測和睡意檢測等。眾多主動安全系統(tǒng)均采用圖像傳感器來收集可視數據。這些數據經過處理后，可提取出對象檢測與對象跟蹤所需的相關特性。

　　在各種 ADAS 應用中，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。某些主動安全應用中的圖像傳感器，其動態(tài)范圍每像素超過 8 位。對于高級應用而言，每種應用的數據處理過程都比較類似，其中包括數據捕獲、準備處理數據、執(zhí)行專用處理、評估結果，最后再采取行動(如圖 1 所示)。

　　舉例來說，在實施車道偏離預警時，系統(tǒng)需要識別道路標線并跟蹤其位置。若汽車沒打轉向燈就越線的話，那么系統(tǒng)會對駕駛人員做出提醒。同樣，交通標志識別系統(tǒng)采用圖像傳感器捕獲的數據來檢測并識別各種標志類別。例如，駕駛人員遇到限速 65 MPH 的標志牌時可以加速，但遇到停止路標時就不能加速。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打上了瞌睡，那么就會發(fā)出警報。

　　根據所需不同類型的安全功能，我們應在車內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據，交通標志識別系統(tǒng)要用到前視傳感器，睡意檢測則用到在車內安裝的正對著駕駛人員的傳感器。

　　不過，識別、跟蹤并評估駕駛對象是一種非常復雜的工作。駕駛條件會有各種各樣的差別，區(qū)別極大，這會影響傳感器數據收集的質量。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節(jié)的模糊。此外，所有處理工作必須實時完成，處理時延不能超過 30 ms。警報若有半秒鐘的時延，則可能決定生死，要么駕駛人員能成功避開，要么就會發(fā)生車禍。

　　車內安裝的傳感器會針對汽車的內外部環(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。我們必須綜合協調車中的所有主動安全和 ADAS 系統(tǒng)。盡管許多功能可以進行獨立評估，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險評估。設計上述系統(tǒng)的部分挑戰(zhàn)在于，不僅要確定是否發(fā)出警報信號，還要確定何時發(fā)出。

　　舉例來說，不妨設想一下汽車逐漸離開所行駛的車道時的情況，這是變線時肯定要發(fā)生的，駕駛人員不希望在路上每次變線時打了轉向燈后都會接到警報。不過，如果駕駛人員現在沒有看著路面情況，比方說睡意檢測功能發(fā)現駕駛人員頭朝向側面或者向前點頭，那么車道偏離功能發(fā)出警報的可能性就會加大。顯然，如果駕駛人員正關注著路面可能發(fā)生危險的情況，那么對預警效率會有直接的影響，即警報就不用那么快發(fā)出。此外還能支持許多其他情況：比方說汽車快速接近在當前車道上停止或減速的汽車時，可能需要快速變線，要是這時不發(fā)出車道偏離預警可能就會導致駕駛人員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還有其他車輛的話，則系統(tǒng)就會禁止變線。

　　主動安全系統(tǒng)的每個階段都要求大量的信號處理資源?？傮w說來，系統(tǒng)需要高性能的實時處理功能為駕駛人員提供準確而及時的協助。考慮到這一任務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安全系統(tǒng)實施方案。

　　單芯片架構的優(yōu)勢

　　由于多級主動安全和 ADAS 系統(tǒng)都密切協作，共同處理大量數據，因此我們應在單個處理器上運行多個應用。舉例來說，正向圖像傳感器捕獲到的視頻可同時用于車道偏離警告和交通標志識別。在單個 DSP 上同時處理多種算法的能力不僅減少了時延，而且減少了所需的芯片數量，從而減少了故障點，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)魯棒性汽車應用時的關鍵因素。

　　TI 已設計出 TMS320DM643x 器件來滿足高性能要求，并盡可能降低系統(tǒng)成本。TMS320DM643x 器件采用達芬奇技術，并配套提供完整的開發(fā)環(huán)境及軟件，有助于加速產品開發(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安全系統(tǒng)，其關鍵要求就是靈活性。隨著各個公司不斷改進算法，算法的實施應當更為方便。可編程軟件架構為開發(fā)人員提供了這種靈活性和高性能，而這正是固定 ASIC 實施所無法企及的?？删幊烫幚砥鬟€為開發(fā)新技術提供了理想的平臺，因為軟件技術更便于創(chuàng)新技術開發(fā)與部署。

　　極度靈活性

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

　　高效的識別技術有助于將交通標志高效轉換并壓縮為基本的數據庫。可編程處理器使開發(fā)人員能在標志庫和基本數據庫間進行切換。對眾多應用來說，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，滿足汽車跨國行駛的要求。

　　可編程 DSP 具備動態(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。舉例來說，一些 OEM 廠商選用一種算法來應對所有的環(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，這時系統(tǒng)必須快速進行自適應調整。
達芬奇開發(fā)環(huán)境進一步提高了軟件可編程性，不僅能夠簡化開發(fā)，加速產品上市進程，而且還使開發(fā)人員能用 C 語言創(chuàng)建應用，以及通過高級編程環(huán)境加快新算法的原型設計。此外，TI 還提供成熟穩(wěn)健的框架，其為開發(fā)人員集成了 DSP/BIOS實時內核和系統(tǒng)驅動程序等重要的軟件組件。

　　TI 業(yè)界領先的開發(fā)環(huán)境、功能強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，幫助他們將開發(fā)時間縮短達數月之久。DM643x 達芬奇處理器能夠與 TI 業(yè)經驗證的 TMS320C64x DSP 核心實現后向兼容，不僅能支持基于達芬奇技術的設計，充分發(fā)揮現有軟件 IP 的作用，同時還展現了 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)界領先的開發(fā)環(huán)境、功能強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，幫助他們將開發(fā)時間縮短達數月之久。DM643x 達芬奇處理器能夠與 TI 業(yè)經驗證的 TMS320C64x DSP 核心實現后向兼容，不僅能支持基于達芬奇技術的設計，充分發(fā)揮現有軟件 IP 的作用，同時還展現了 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)利用達芬奇技術進行新產品的開發(fā)。

　　達芬奇技術為數字視頻應用提供了不可多得的專用處理器，將數字信號處理技術與視頻加速器技術進行了完美集成。基于達芬奇技術的 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行了集成，可實現整套視頻/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作而花費寶貴的時間，因為各種組件已經實現了高度集成。

　　達芬奇效應

　　舉例來說，TMS320DM6437 處理器為關鍵處理功能提供了功能強大的視頻前端，同時還提供視頻后端，可顯示處理后的圖像，比方說泊車輔助監(jiān)控以及夜視應用等(請參見圖 2)。從外設角度來說，三種 DM643x 器件具備集成的高端 CAN 控制器以及 SPI 和 UART 外設，這樣就能與任何汽車系統(tǒng)的 CAN 或 LIN 總線相結合。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安全功能。具體說來，前端提供了一個圖像縮放塊，能對圖像進行放大或縮小，無需占用 CPU 循環(huán)就能將圖像調整至適當的分辨率，從而滿足圖像某個部分(所需區(qū)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(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 的色域轉換，從而使 TMS320C64x+ DSP 內核可以集中精力去處理其它任務。

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

　　開發(fā)人員可采用快速的二級高速緩存和增強型 DMA (EDMA) 來解決有關區(qū)域的問題，從而減輕存儲器資源的負擔。在需要數據前通過 EDMA 預加載內部存儲器，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部分，那么三維 DMA 就非常關鍵了。因此，在外部存儲器和片上存儲器間傳輸多個所需區(qū)域時，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，同時通過采用達芬奇技術，進一步擴展了其產品系列，這也帶來了增值效果。利用這種可擴展的器件，開發(fā)人員能選擇用高性能的大存儲設備來進行設計，以簡化開發(fā)工作，在驗證設計理念后，則可采用較低端的設備，滿足不同性價比的優(yōu)化設計要求。

　　最后，DM643x 達芬奇器件還通過了 AEC-Q100 認證，這對希望在汽車應用中采用其產品的 OEM 廠商來說是至關重要的，它確保了可接受的每百萬缺陷率 (DPPM) 標準。支持達芬奇技術的 DM643x 架構是一種全新的設計，確保 OEM 廠商能滿足高標準的 AEC-Q100 規(guī)范要求。

　　TI 認為，工程師和業(yè)界領袖必須不斷前進，推出適當的技術，并通過進一步加大主動安全系統(tǒng)和 ADAS 在汽車產業(yè)的推廣應用力度，幫助其減少交通事故的死亡率。有關領域的發(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優(yōu)勢。TI對創(chuàng)新充滿著熱情，為客戶提供所需的關鍵技術和組件，滿足不斷上升的主動安全系統(tǒng)和 ADAS 的應用需求，隨著上述技術的推廣，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行了大量投資，近期還組建了專門開發(fā)主動安全系統(tǒng)和 ADAS 技術的小組，并繼續(xù)保持其業(yè)界領先地位，長期致力于汽車安全和汽車產業(yè)的發(fā)展。