DSP和FPGA在汽車電子中的廣泛應用

　　3.2 基于DSP和FPGA的車用圖像信號處理

　　數字圖像處理與分析技術已是一門較為成熟的二維信號處理技術，現已被廣泛應用于通信、生物醫學、工業檢測和軍事等各個方面，當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動圖像處理和靜止圖像處理。目前，很多行業的汽車都已經開通了全球定位系統（GPS）。車載GPS系統除了傳送自己的位置坐標信息，還需傳送自己所處環境的圖像信息，例如救護傷員的現場圖景、緊急救災現場圖像等。同時，各個交通路口的流量監控圖像要傳回交通指揮中心，也需要進行圖像信號的處理。對于這種汽車運動圖像，主要特點是：第一，多速率壓縮。由于無線信道的時變特性，系統的有效帶寬、傳輸方式和數據速率往往會不斷的變化；相應地，需要采用多速率壓縮方式，靈活地適應信道帶寬的這種變化。第二，壓縮比例大。比如NTSC電視圖像的數據量約為167Mb/s，要將其壓縮200至6000倍左右，才能適應傳輸帶寬的要求。第三，運動圖像的運動補償。運動圖像由于它本身的相對運動，會有多普勒頻移問題。對于高速運動的汽車來說，這種頻移往往是不能忽視，必須對所獲圖像進行運動補償。

　　近年來，隨著微電子技術的迅猛發展和芯片制造工藝的提高，DSP和FPGA不斷涌現，過去的一個機箱、甚至一個機柜的信號處理系統，現在完全可以由單片的DSP或FPGA來完成，系統設計也將從過去的PCB板設計過渡到VLSI與UVLSI (甚大規模集成電路)芯片的設計。與此同時，由于DSP和FPGA技術的大量采用，數字圖像處理就硬件結構方面也發生了重大變化，它已由基本的串行結構發展成平行處理結構，由單片DSP或FPGA處理器發展成多DSP或FPGA處理器系統，或帶陣列DSP和FPGA的高速處理系統。隨著社會和經濟的發展， 以及人們對數字圖像處理系統實時性的要求也越來越高，基于DSP和FPGA的數字圖像處理系統在汽車電子產品中的應用范圍將會越來越廣， 例如車載會議電視、車載可視電話、車載機器視覺等。

　　3.3 基于DSP和FPGA的車用自適應實時處理

　　FPGA的時鐘延遲可以達到納秒級，結合DSP和FPGA的并行處理方式，因此DSP和FPGA非常適合超高速和實時信號處理領域。如前所述，由于 FPGA內部結構的特點，它可以很容易的實現分布式的算法結構，這一點對實現汽車電子中的高速數字信號處理十分有利。因為汽車電子產品中通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術結構，FPGA可以有效地實現乘和累加操作。另一方面，需要的大量的復雜的數學運算，可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來完成的。在汽車電子產品中，對產品的大小、重量、功耗特別關注；在數據傳輸方面，在汽車電子系統中由聲音信號數字化所產生的大量數據，要依靠高性能的DSP和FPGA來減少存儲空間和傳輸帶寬的要求，需要對視頻信號與音頻信號的編碼、解碼、彩色空間轉換、回音消除、濾波、誤碼校正、復用、比特流協議處理等任務進行自適應實時處理，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和重點問題，利用經典和現代控制理論而建立的開環、死循環、最優、自適應控制系統來實現汽車的最優化控制。建立這些控制系統首先對汽車某個系統，如點火提前角優化控制系統進行識別，建立該系統的數學模型，然后采用相應的控制方法進行優化控制。但是發動機本身結構比較復雜，影響點火的因素較多，理論推導優化點火狀態下的數學模型比較困難。因此，一般采用實驗的方法找出各種工況下的最佳點火提前角，然后存入基于DSP和 FPGA或DSP和FPGA陣列加大容量外部存儲器中；這樣可以避免使用計算機。在控制過程中，系統實時地檢測發動機的工況（如發動機轉速、功率等），用查表的方法，查出該工況下的最佳點火提前角，進行修正后再去控制點火。這比傳統的基于計算機的控制方法，一方面，大大地減少了體積；另一方面，更具有實時性、靈活性。懸架電子控制，是指計算機檢測到轉向和制動狀況的信號后，能自適應地處理車輛的側傾、前后仰，并自動調整減震器阻尼力的控制系統，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控制車身高度，空氣彈簧用來調整彈性系統，光柵檢測器用來測定轉向角等等。而DSP和FPGA的出現和發展應用，已使各系統控制走向集中，形成整車的智能控制系統。

　　“智能交通系統”作為未來汽車和交通行業共同的追求方向，它將包括智能公路和智能汽車系統。它結合先進得公路信息處理技術和雷達防撞技術，將公路和汽車連為一個整體，可以極大地提高汽車流量，大幅度地降低交通事故的發生率。因此，汽車智能化相關的產品已受到汽車制造商們的高度重視。智能交通系統能根據駕駛員提供的目標資料，向駕駛員提供距離最短，而且能繞開車輛密度相對集中處的最佳行駛路線。“安全第一”永遠是用戶購車的第一選擇，目前研究比較熱的車用毫米波自適應防撞雷達，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速度都很高，而對雷達回波信號頻差的提取是必須實時地。因而，對于對雷達回波信號頻差的提取和處理，以及自適應防撞控制系統的反饋控制處理，往往是采用DSP或FPGA來實現的。

　　4 　發展展望

　　縱觀近幾十年來汽車技術的重大成就，大都是在應用電子技術上進行的突破，電子技術已成為汽車工業發展的重要動力源泉。DSP和FPGA的出現給汽車產品和汽車電子技術帶來了革命性的變化，世界汽車工業的DSP和FPGA用量激增，由從前單片DSP或FPGA處理器發展成多DSP或FPGA處理器，或 DSP和FPGA陣列的高速處理器。基于DSP和FPGA的汽車電子產品能夠滿足未來的汽車發展的需要，并且，在多種車型并存的時代里，由以DSP和 FPGA為核心所構建的通用硬件平臺，可以通過不同的軟件加載的方式來實現這種兼容。伴隨著未來汽車電子技術的不斷發展，DSP和FPGA的速度將會不斷提高。就DSP而言，目前發展很快，主要的趨勢有：在單片DSP中實現多個MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線和數據總線、更高的工作頻率；從結構上，采用SIMD以及MIMD，采用超長指令等。就FPGA而言，由于亞微米工藝的采用，其速度更快，門數更多。目前Lucent和XILINX公司均有10 萬門以上的產品，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。

　　我國對于汽車電子系統的研究還不夠深入。汽車制動防抱死系統、安全氣囊、自動變速器和柴油機電控系統等僅在部分高校和企業進行了探索性研究，并未進入實用階段。以汽車電子技術為代表的高新技術，正是我國汽車工業發展的“瓶頸”。針對這種情況，我國汽車電子技術的研究不僅應以汽車的節能、環保、安全為重點，力爭盡快掌握它們的核心技術，縮小與發達國家的差距，更應以車載通信和高速實時信號處理技術這類新興技術為突破口，依托國家信息技術研究的成果，開發先進的車載計算和信息處理產品，帶動整個汽車電子技術的進步，提高我國汽車的電子化水平。