FPGA调研报告-FPGA汽车电子领域的应用

目录：

1.引言

2.FPGA概论

3．FPGA在汽车电子领域的应用概述

4. FPGA在汽车电子领域的实际应用

1.系统设计

2.模块设计

2.1密码锁和指纹识别

2.2 GPS导航模块

2.3 GSM通信模块

2.4车载防盗系统

2.5图像信号处理

5.结束语

引言：

20世纪末，全球范围内兴起的信息浪潮，为汽车工业的突破性发展提供了千载难

逢的机遇，信息技术的广泛应用是解决汽车带来的诸如交通拥挤、交通安全、环境污染、能源枯竭等问题的最佳途径。同时，随着汽车电子技术的发展，电子组件所占整车成本的比例也逐步上升，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，越来越多的电子技术应用到汽车系统，汽车电子化的程度是衡量现代汽车水平的重要标志，是开发新车型、改进汽车性能最重要的技术措施。据统计，当前汽车上的电子装置成本占整车成本的约30％，在一些高档轿车上达到60％，而且汽车中约70％的创新来源于汽车电子技术。以前，汽车工程师一直依赖MCU(微控制器)和ASIC(专用集成电路)产品设计汽车电子系统，但随着系统越来越复杂，部件数目越来越多，产品快速推向市场的压力变大，性能的要求逐渐提高，同时，价格要合理，设计风险要低，这些是 MCU和ASIC所难以实现的。而FPGA能提供更高的性能和更多的功能，成本更低、风险更小、灵活性更高，而且在设计后期更易变更，甚至可对己经投入应用的产品进行升级，因此FPGA将成为未来汽车电子设计的理想解决方案。

FPGA概论

    在了解FPGA之前，我们先来了解一下数字集成电路的发展。数字集成电路的发展主要经过了电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路(VLSIC)、专用集成电路(ASIC)和可编程逻辑阵列(FPGA/CPLD).可编程逻辑阵列在实验室能够设计、更改、研制并能马上投入使用，而且硬件集成化、设计个性化、可修改、快速性、开发成本低的特性使得可编程逻辑阵列相比于其他的数字集成电路更具竞争力。

现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray)，是PAL、GAL、CPLD等可编程器件发展的产物，是专用集成电路领域中的一种半定制电路。其内部由可配置逻辑模块CLB (Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Outout Block)和内部连线 (Interconnct)3部分构成，具有小型化、低功耗、多功能、数字化、标准化、系列化、集成度高、保密性好、可无限次反复编程、并有现场模拟调试验证的特点。它的基本功能模块是由n输入的查找表，存储数据的触发器和复路器等组成。这样，只要正确地设置了其中的数据，查找表就能够通过对中的数据的读取而实现输入的任意布尔函数。触发发器则用来存储数据，如有限状态机的状态信息。复路器可以选择不同的输入信号的组合，将查找表和触发器用可编程的布线资源连接起来，就可以实现不同的组合逻辑和时序逻辑。由于FPGA内部结构的特点，它可以很容易的实现分布式的算法结构，这一点对实现汽车电子中的高速数字信号处理十分有利。由于FPGA器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、流水线级甚至是任务级的并行执行，从而大大地加快了计算速度。由FPGA实现的计算系统可以达到现有通用处理器的数百甚至上千倍。并且，由于FPGA可动态地配置，系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线形函数，因此有可能在很少的几片甚至一片FPGA中集成一个支持所有标准的系统。不过，由于现有的FPGA的开发系统几乎都是为ASIC的原型验证而设计的，导致这些开发系统在节省工程开发时间上效率非常高，而在FPGA资源的利用效率方面却比较差。HDL语言可大大提高设计能力，但在最大限度地发挥器件性能方面HDL的设计方法还有一定的局限性，还不能提供FPGA布局布线的优化和约束。Altera和Xilinx采用RAM工艺生产一般用途FPGA；Actel则基于反熔丝工艺和Flash工艺提供非易失性FPGA。

FPGA与ASIC的对比

基于FPGA这些特点，国内外对其在汽车电子设计方面的应用研究也越来越多。国外某公司已开始在其引擎控制系统设计中引入FPGA器件。而国内也出现了不少基于FPGA的汽车电子设计，例如基于FPGA的ABS系统设计，汽车电子后视镜系统设计，基于Nios II的CAN总线通信系统设计，基于GSM／GPS的汽车防盗系统和基于SoPC的汽车仪表系统设计等。FPGA的并行处理方式具有很高的处理速度，广泛应用于汽车音视频处理。随着汽车的信息娱乐系统功能越来越多，例如GPS导航系统，影音视频播放功能，倒车影像系统，车载电视功能，FM收音机，MP3播放功能等，这就要求系统具有较高的音频和图形处理能力，需大量计算并通过高端处理器和DSP实现，但系统成本、复杂度和功耗都很高。汽车语音处理模块主要涉及到语音的数字化处理、语音编解码、语音压缩和语音识别等技术。特别是语音识别系统要实时处理和采样声音，但采用上述方法实现成本很高，这对于对成本敏感的汽车行业并不可取，而FPGA能很好解决这些问题，因为它可在一个时钟周期中处理多条指令，实现并行计算，计算能力高，能够完成视频和音频的处理任务。此外，FPGA在车载数据采集和对电子控制单元(ECU)的硬件在环(HIL)仿真等汽车测试方面也有相应应用。

    其次在系统设计方面能体现其高灵活性，高集成度，高性能，开发周期短的特点。例如采用Ahera的FPGA设计系统，通过在SoPC Builder中调用相应IP核就可控制SDRAM，Flash等存储器和多种汽车常用接口，实现单器件与各个模块的硬件电路连接和控制。从而大大提高系统的集成度和开发效率。此外，由于音、视频处理要求FPGA具有较高的计算处理能力，Ahera具有支持多CPU的FPGA器件，即支持多Nios II软核处理器，从而把音、视频处理等需高处理速度的模块从主CPU中分离出来，减轻主CPU的处理负担，增强系统的稳定性，节约成本。

FPGA在汽车电子领域的实际应用

1.系统设计

    系统FPGA器件选用Ahera公司的 Cyclone II系列的EP2C35F672C8N，该系统设计实现密码锁和指纹识别、GPS导航、GSM通信、汽车防盗自动报警、倒车影像和车内摄像、收音机、车载电视、USB数据传输等功能，除此之外还设置CAN总线控制器接口，便于后续系统开发。该系统设计采用可编程的片上系统SoPC(System On Programmable Chip)技术将处理器、存储器、I／O口等模块集成到一个可编程器件，构成一个可编程的片上系统。用这种方式设计的系统在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优。使用Quartus II SoPCBuilder和Nios II IDE 3个软件组合完成系统设计和调试。设计过程中，对于相对简单的控制(如密码锁模块)可直接在Quartus II编写Verilog代码，仿真优化，引脚分配最后生成模块；对于相对复杂的模块控制，在Quartus II中建立工程，然后打开Sopc Builder组建系统，图1为采用SoPC Builder搭建的硬件系统原理图。系统组建完毕进行地址分配和系统仿真，最后生成系统模块，然后在Nios II IDE环境下进行系统编程完成系统软件开发，最后在Quartus II中连线并分配引脚，仿真，测试，编译生成下载文件，通过JTAG接口下载到FPGA器件，完成系统开发。

2． 系统模块设计

2．1 密码锁和指纹识别

    这两个模块主要用于加强汽车的防盗安全系数。两模块可同时启用，也可单独启用，当单独通过其中之一验证，不能对系统做任何更改，只有两模块同时通过验证才能对此系统设置。

    密码锁模块采用0～9中的任意6个数字作为系统密码，模块设计原理如图2所示。此模块主要包括键盘。密码验证和结果输出。其中键盘通过在Quartus II环境下采用Verilog语言编程实现，其程序由时钟分频、键盘扫描和键译码转换组成。而密码验证和结果输出两模块当用户通过键盘输入密码时，在 LCD上以“*”显示密码以及输出结果，完全通过Verilog编程实现。

    图3为指纹识别模块设计原理图。通过指纹采集模块采集指纹，把数据通过串口输入到FPGA器件进行图像预处理，转换成具有一定灰度级的数字图像，然后提取特征点。与指纹库指纹图像相对比，最后输出对比结果。该模块采用Nios II处理器设计实现。

2．2 GPS导航模块

    构建GPS导航系统需GPS天线、接收模块、存储器、处理器、相应的控制按键和地图LCD显示设备。为了提高开发周期，系统直接采用GARMIN公司的GPS25 OEM开发板，它与FPGA开发板的连接电路如图4所示。

    此GPS模块经MAX232器件转换串口信号电平，然后连接到开发板的串口，实现硬件系统的搭建。系统软件设计是在NiosIDE环境下用C编程读取 GPS信息，提取GPS坐标信息并导入到存入存储器中的地图软件，通过LCD控制模块在LCD中显示导航图像。从而实现GPS导航模块设计。

2．3 GSM通信模块

    系统要求高稳定性，高抗干扰性能．故选用西门子TC35i模块搭建GSM Modem电路(GPRS模块+SIM卡+电源变换+RS232接口)，如图5所示。直接将GSM Modem模块通过串口连接到FPGA，然后通过程序设计，通过FPGA开发板串口发送AT指令，从而控制GSM模块。 

2．4 车载防盗系统

    车载信息装置安装有GPS定位设备和GSM通信设备，因而可实时监控车辆。将GPS从车载信息装置中分离，与GPRS一起放置于隐蔽之处，配有电源。发现汽车被盗后，可通过手机或网络向GSM模块发送短信指令，把GPS模块确定的汽车实时坐标和车辆内部摄像头捕获图像通过GSM模块连接的GPRS网络发送给用户，对于无法接收到GPS信号的地方，则需通过移动公司的GSM定位确定汽车大致位置。还可通过给GSM模块发送指令，进而控制继电器．进而控制汽车发动机，供油系统，点火系统等设备，有利于控制车辆并能

及时找到失盗车辆，减少损失。

2．5图像信号处理

数字图像处理与分析技术已是一门较为成熟的二维信号处理技术，现已被广泛应用于通信、生物医学、工业检测和军事等各个方面，当然在汽车电子中也将涉及到大量的图像处理处理。汽车电子中的图像处理主要包括运动图像处理和静止图像处理。目前，很多行业的汽车都已经开通了全球定位系统（GPS）。车载GPS系统除了传送自己的位置坐标信息，还需传送自己所处环境的图像信息，例如救护伤员的现场图景、紧急救灾现场图像等。同时，各个交通路口的流量监控图像要传回交通指挥中心，也需要进行图像信号的处理。对于这种汽车运动图像，主要特点是：第一，多速率压缩。由于无线信道的时变特性，系统的有效带宽、传输方式和数据速率往往会不断的变化；相应地，需要采用多速率压缩方式，灵活地适应信道带宽的这种变化。第二，压缩比例大。比如NTSC电视图像的数据量约为167Mb/s，要将其压缩200至6000倍左右，才能适应传输带宽的要求。第三，运动图像的运动补偿。运动图像由于它本身的相对运动，会有多普勒频移问题。对于高速运动的汽车来说，这种频移往往是不能忽视，必须对所获图像进行运动补偿。

近年来，随着微电子技术的迅猛发展和芯片制造工艺的提高，DSP和FPGA不断涌现，过去的一个机箱、甚至一个机柜的信号处理系统，现在完全可以由单片的DSP或FPGA来完成，系统设计也将从过去的PCB板设计过渡到VLSI与UVLSI(甚大规模集成电路)芯片的设计。与此同时，由于DSP和FPGA技术的大量采用，数字图像处理就硬件结构方面也发生了重大变化，它已由基本的串行结构发展成平行处理结构，由单片DSP或FPGA处理器发展成多DSP或FPGA处理器系统，或带阵列DSP和FPGA的高速处理系统。随着社会和经济的发展，以及人们对数字图像处理系统实时性的要求也越来越高，基于DSP和FPGA的数字图像处理系统在汽车电子产品中的应用范围将会越来越广，例如车载会议电视、车载可视电话、车载机器视觉等。

结束语

纵观近几十年来汽车技术的重大成就，大都是在应用电子技术上进行的突破，电子技术已成为汽车工业发展的重要动力源泉。FPGA的出现给汽车产品和汽车电子技术带来了性的变化，世界汽车工业的FPGA用量激增，由从前单片DSP或FPGA处理器发展成多DSP或FPGA处理器，或DSP和FPGA阵列的高速处理器。基于DSP和FPGA的汽车电子产品能够满足未来的汽车发展的需要，并且，在多种车型并存的时代里，由以DSP和FPGA为核心所构建的通用硬件平台，可以通过不同的软件加载的方式来实现这种兼容。伴随着未来汽车电子技术的不断发展，DSP和FPGA的速度将会不断提高。就DSP而言，目前发展很快，主要的趋势有：在单片DSP中实现多个MAC、更多的寄存器、更宽的程序总线和数据总线、更高的工作频率；从结构上，采用SIMD以及MIMD，采用超长指令等。就FPGA而言，由于亚微米工艺的采用，其速度更快，门数更多。目前Lucent和XILINX公司均有10万门以上的产品，并且集成了一些新的功能，如SystemonChip，ProgrammingonSystem等，使其更加灵活。

    FPGA实现汽车电子的多模块集中控制，增强汽车电子设计的灵活性，缩短开发周期，降低成本，缩小电子系统在车内所占用空间，同时提高了系统的稳定性和易维护性，方便系统升级。因此在未来汽车电子设计中FPGA必将有突出表现。