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        車上的可編程超級計算機

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        作者:Altera汽車事業部,技術行銷經理 Joel Seely 時間:2006-08-17 來源:電子產品世界 收藏
        與高級系統相關的總成本不斷攀升——現在占有車輛成本的22%,預計在2010年將至少增加到40%。由于這些系統隨著快速變化的需求而迅速發展,制造商必須努力實現體積更小、價格更低,更加靈活的創新方案,以便在成本和產品及時面市的競爭中保持優勢。目前,標準汽車中對視頻、音頻和無線信號處理需要的計算能力越來越強,現場可編程門陣列(FPGA)能夠滿足這些要求較苛刻的靈活性和處理要求,同時還能夠降低系統成本。

        由于可編程邏輯內在的靈活性,汽車制造商不必采用專用集成電路(ASIC)或者專用標準產品(ASSP)設計,便可以設計能夠跨越多平臺運轉的系統,從而降低總成本。FPGA還可以對多個到達信號進行高度分布的并行處理,以更低的成本提供比現有數字信號處理器(DSP)更高的性能。

        隨著系統復雜性的不斷增加,采用處理器來控制汽車中的多種功能,如制動防抱死系統(ABS)和燃油噴射單元,以及邊沿娛樂系統等。汽車網絡通常分為主體和供電控制網絡、信息處理和多媒體子網。中心控制器是汽車系統的核心部分,使用戶能夠操作不同的電子系統和控制單元。為實現與這些電子控制單元的通信,中心控制器必須能夠通過網關控制器訪問所有類型的總線,網關控制器是車內不同電氣和光學總線的路由器。

        信息處理/娛樂控制器

        在汽車中,信息處理系統整合了帶有全球定位系統(GPS)的無線通信和嵌入式計算功能,以顯示當前交通狀況、行駛地圖和方向,以及速度和燃油效率數據等。此外,出現緊急情況時,該系統可提供救援服務,指示車輛的確切位置。

        信息處理系統的嵌入式處理器控制系統功能包括GPS、車輪傳感和轉速接口等。這些部分的行駛信息和車輪、發動機轉速信息等數據通過LCD圖形控制器進行顯示。

        娛樂單元提供對存儲MP3音樂文件的音頻播放器/CD-ROM的訪問。GPS系統所使用的系統行駛數據也可以存放在其中。通過多種總線連接,接口單元支持控制器對所有汽車娛樂和駕駛信息系統的訪問,如車載計算機等。可采用通用串行總線(USB)、IEEE1394(FireWire)或者以太網(以及藍牙技術)接口將筆記本電腦或者個人數字助理(PDA)等便攜式設備連接至系統,以同步數據或者上載/下載文件。

        在這些汽車應用中需要大量的功能和接口,因此要具有極大的靈活性。FPGA是信息處理系統中多種應用的理想選擇。可編程邏輯使汽車設計人員能夠定制接口,以適應多種數據源。它能夠與汽車ASSP器件一起提供互補、靈活的系統。信息處理控制器的大部分功能都可以在FPGA中實現。

        采用FPGA中現成的知識產權(IP)內核,以及PCI和控制區域網(CAN)控制器,可以顯著縮短汽車應用開發成本和面市時間。而且,可采用FPGA中專有嵌入式處理器實現信息處理應用中的標準微控制器功能。

        信息處理/娛樂系統

        信息處理系統用于控制汽車電子系統,并為駕駛員和其他乘客及時有效的顯示這些信息。信息數據包括行駛、全球GPS和地圖、娛樂系統、移動電話以及某些地區的道路收費系統等。
         
        汽車電子設計人員開發信息處理系統時,面臨預計構建哪種系統,如何定制各部分以及今后更新等問題的挑戰。汽車制造商也必須確保其產品接口能夠適應各種設備,如用戶自己安裝的換修設備等。

        FPGA可以解決多種類似挑戰,使汽車制造商及其主要供應商能夠開發、定制靈活的信息處理系統,滿足客戶的特定需求。FPGA為接口總線提供不同規模的可升級互連,也可以用作完整的總線接口單元,支持不同ASSP所采用各種協議之間的通信。

        汽車網關控制器和汽車PC

        汽車網關控制器可用作不同電氣和光學總線之間的路由器,集成USB、Firewire、媒體系統傳送(MOST)總線,以及CAN系統互連等標準多媒體接口。控制器還可以實現與采用以太網和藍牙技術等計算機相關接口的前沿汽車系統的連接。




        在某些應用中,汽車PC用于控制閃存和CD-ROM驅動等媒體設備。通常需要一個小型CPU來控制網關的路由功能。網關控制器可以從汽車PC中單獨分離出來,以支持各種接口,使系統能夠與不同制造商使用的總線進行通信。

        專用FPGA是理想的總線橋接方案;設計人員可以使用標準低成本ASSP,結合FPGA,與不同制造商采用的特定總線系統進行連接。這種優勢提高了系統容量,降低了開發成本。對于系統供應商,采用FPGA也意味著其設計人員僅開發一個系統即可順利完成開發過程。



        汽車軟件無線電

        汽車軟件無線電(SDR)是指在無線通信中,發射器調制和接收器解調均由軟件完成。SDR接收器在天線之后便是模數(A/D)轉換器,在二者之間也會有一個接口單元。軟件控制的混頻和基帶處理完全數字化。這種方法主要優勢在于靈活性;對于任何類型的接收器配置,軟件都可以運行在一個通用硬件平臺上。設計人員可以提取出硬件所需的一組通用功能,以實現所有可能的接收器,當需要新的接收器時,還可以選擇重新配置硬件。

        多個接收器配置可能需要一組不同的通道處理模塊來實現,該模塊在SDR控制器的控制下,重新裝入到FPGA中。數控振蕩器(NCO)、有限沖擊響應(FIR)、無限沖擊響應(IIR)、快速傅立葉變換(FFT),以及星座圖等各種專用IP內核可用于實現SDR所需的通道處理、解碼和波形模塊。

        汽車涉及到多種信息處理,因此對接收各種協議的需求在不斷增加。從接收AM和FM電臺開始,汽車還能夠接收衛星信號、電視、WiFi、3G WiMax、OFDM協議,甚至是今天還沒有想到的。因此,有必要采用一種軟件定義并能修改的靈活系統。既使在系統投入使用后,FPGA內在的靈活性使其仍舊可以進行修改,因而成為系統設計的關鍵鏈接。

        結論

        在發動機倉、乘客車廂內以及外部診斷系統中,FPGA為成功的汽車電子系統設計提供了靈活的低風險途徑——降低了制造的復雜性,實現了最佳成本效益。

        FPGA現在主要用在電源供電、汽車PC、信息處理、汽車無線電、主體控制以及其他汽車應用上。FPGA和最佳IP內核、硬件和軟件微處理器、強大的設計軟件以及各種開發套件相結合,構成專用解決方案,實現完整的、易于使用的汽車電子設計平臺。

        在一個集成FPGA包裝中,汽車設計人員可以得到在競爭激勵的市場中獲勝所需的全部幫助,如通過避免較大的流片投入(NRE)和時間花費以降低成本,以及降低ASIC所需的訂購成本等。既使在標準制定過程中,他們也可以繼續開發系統,而不必等到ASSP試制成功。其他優勢包括設計過程的重新編程能力,如車輛中,各種系統重復使用同一個硬件平臺進行設計,減少芯片的重復使用來進行風險和成本管理,以及對信息處理領域標準和協議不斷變化的自適應性等。FPGA的靈活、適應性、內在的性能和成本優勢使汽車工業煥然一新。明天的汽車將再也不會是以前的老爺車了。


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