周瑩太原大學(xué)

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基于FPGA的汽車電子設(shè)計(jì)研究

周瑩
太原大學(xué)

摘要：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛且技術(shù)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的ASIC (專用集成電路)、MCU(微控制器)已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前汽車電子設(shè)計(jì)對(duì)穩(wěn)定性、靈活性以及低成本和快速開發(fā)的要求，而FPGA能良好的解決上述問題，它將成為未來汽車電子設(shè)計(jì)的理想選擇方案，并具有良好的發(fā)展前景。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，從FPGA的特點(diǎn)出發(fā)，并就FPGA在汽車電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的研究與探討。

近年來，汽車正逐漸向著智能化、多媒體化和電子化方向發(fā)展，越來越多的電子技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)中，而汽車的電子化程度也被看作是衡量當(dāng)前汽車技術(shù)水平的重要性標(biāo)志。然而隨著汽車電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜和設(shè)備數(shù)目的增大，對(duì)于采用集成電路設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)而言則需要重新設(shè)計(jì)、布線與制版。而FPGA由于其具有的靈活性更高、風(fēng)險(xiǎn)更小、成本更低以及提供更多功能的特點(diǎn)，甚至可對(duì)已投人應(yīng)用的產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)，因此FPGA必然將成為未來汽車電子設(shè)計(jì)的理想解決方案。

1　FPGA概述

FPGA (Field—Programmable Gate Array)，即為現(xiàn)場可編程門陣列。數(shù)字集成電路先后經(jīng)歷了電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同階段，發(fā)展到當(dāng)前主要有存儲(chǔ)器、處理器和邏輯器件這三類電子器件。傳統(tǒng)的AS1C作為滿足特定的用途而設(shè)計(jì)的邏輯器件，其主要缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)周期過長、投資大，且設(shè)計(jì)結(jié)束后功能固化，以后的設(shè)計(jì)改版困難較大。而FPGA是在PAL、CPLD、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展所得的產(chǎn)物，它也是作為ASIC領(lǐng)域中一種半定制電路而出現(xiàn)的。FPGA既克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，也解決了傳統(tǒng)定制電路中的不足，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括了內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB (Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB (Input Output Block)和內(nèi)部連線(Inter—connect)這三個(gè)部分，規(guī)模非常龐大，可以替代幾十甚至幾千塊通用Ic芯片，具有集成度高、數(shù)字化、多功能、可反復(fù)編程、開發(fā)周期短、成本低廉以及可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等特點(diǎn)，因此FPGA在當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)和原型設(shè)計(jì)當(dāng)中。

2　FPGA在汽車電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1基于FPGA的汽車電子設(shè)計(jì)研究

由于FPGA具有上述多種優(yōu)勢與特點(diǎn)，因此在國內(nèi)外對(duì)FPGA在汽車電子設(shè)計(jì)方面的研究與應(yīng)用也日益廣泛，例如在車載定位系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、語言信號(hào)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)、后座娛樂系統(tǒng)中的圖形處理等方面。隨著當(dāng)前汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA在汽車電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅能夠快速實(shí)現(xiàn)這些高度集成和不斷變化的系統(tǒng)，而且能加速將產(chǎn)品推向市場，為汽車生產(chǎn)帶來所需的靈活性。而且隨著汽車車內(nèi)空間的日益寶貴，可編程邏輯能在小型單芯片方案上集成許多不同功能的特點(diǎn)也顯得更具吸引力。

2.2基于FPGA的GPS+GSM雙重車載定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GPS+GSM雙重車載定位系統(tǒng)中充分利用了FPGA的強(qiáng)大邏輯控制能力，以及Nios II處理器的多可配置標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)接口功能，并將GPS與GSM功能模塊相結(jié)合所設(shè)計(jì)的雙重定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一般情況下采用GPS實(shí)現(xiàn)定位，而在特殊情況時(shí)可將GSM網(wǎng)絡(luò)定位功能開通從而實(shí)現(xiàn)雙重定位，同時(shí)通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸和接收來自監(jiān)控中心的信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與實(shí)時(shí)定位等多種功能。

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)定位信息的采集以及定位終端和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信，包括了主程序、GPS信息處理程序、GSM信息處理程序以及顯示程序，其中主程序主要完成系統(tǒng)定位信息處理、自檢、人機(jī)交互操作和初始化等功能。該系統(tǒng)的硬件主要有外部存儲(chǔ)器、LCD、控制模塊、GPS模塊、GSM模塊與1 個(gè)FPGA芯片所構(gòu)成，其中FPGA芯片主要可實(shí)現(xiàn)各類接口驅(qū)動(dòng)、軟核處理以及存儲(chǔ)器等多種功能，并包括了NiosⅡ處理器系統(tǒng)與外設(shè)裝置這兩個(gè)部分。

2.3基于FPGA的SINS／GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的特征是，在保證導(dǎo)航定位性能的同時(shí)，還極大的減小了系統(tǒng)的重量、功耗、體積和成本，適應(yīng)了當(dāng)前汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的微型化發(fā)展方向，且綜合后的導(dǎo)航精度要高于兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)工作的精度。

該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上選擇NiosⅡ軟核處理器，并選擇在一片F(xiàn)PGA上添加兩個(gè)軟核處理器，通過將雙核處理器、外設(shè)裝置、存儲(chǔ)器和I／0接口集成到一個(gè)單一的FPGA當(dāng)中，從而有效降低了系統(tǒng)的功耗與成本，減少了體積。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括了兩個(gè)部分，即對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，其中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)程序主要用以驗(yàn)證雙核導(dǎo)航處理器是否能滿足系統(tǒng)的需要。

2.4基于FPGA的車用語音信號(hào)處理

隨著當(dāng)前在車輛中語音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其實(shí)時(shí)性要求也不斷提高，專用的DSP語音芯片雖然有硬件加速功能，但由于其指令仍然采用的是串行技術(shù)，在實(shí)時(shí)性方面仍有所欠缺。而具有并行運(yùn)算能力的FPGA主頻的不斷提高，再加上其功耗低、體積小和設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，可以充分滿足當(dāng)前車用語音信號(hào)在實(shí)時(shí)處理上的要求。

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要有能量計(jì)算、語音信號(hào)濾波、分幀、加窗等功能模塊所構(gòu)成，語音信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)人FPGA，再對(duì)其進(jìn)行濾波。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括了仿真測試模型，通過引入HIL模塊實(shí)現(xiàn)建模和仿真測試。

3　小結(jié)

基于FPGA的汽車電子設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了汽車電子的多模塊集中控制，增強(qiáng)了汽車電子設(shè)計(jì)的靈活性，縮短了開發(fā)周期和降低了成本，而且有效提升了汽車系統(tǒng)的維護(hù)性與穩(wěn)定性，并方便系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)改造，因此FPGA在未來汽車電子設(shè)計(jì)中必然將會(huì)應(yīng)用愈加廣泛，并成為汽車電子設(shè)計(jì)的主要解決方案。

關(guān)鍵字：FPGA 汽車電子設(shè)計(jì)研究