DSP和FPGA在汽車電子中的應(yīng)用

1 引言

目前，我國對于汽車電子系統(tǒng)的研究還不夠深入。汽車制動防抱死系統(tǒng)、安全氣囊、自動變速器和柴油機(jī)電控系統(tǒng)等僅在部分高校和企業(yè)進(jìn)行了探索性研究，并未進(jìn)入實(shí)用階段。汽車電子技術(shù)為代表的高新技術(shù)，正是我國汽車工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。對此，我國汽車電子行業(yè)應(yīng)該盡快掌握它們的核心技術(shù)，縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，因以車載通信和高速實(shí)時信號處理技術(shù)這類新興技術(shù)為突破口，依托國家信息技術(shù)研究的成果，開發(fā)出先進(jìn)的車載計算和信息處理產(chǎn)品，提高汽車電子技術(shù)的進(jìn)步，帶動我國汽車的電子化水平。

20世紀(jì)末，在全球范圍內(nèi)興起了一股信息革命的大浪潮，給汽車工業(yè)的發(fā)展帶來了千載難逢的機(jī)遇。解決汽車帶來的諸如交通擁擠、交通安全、環(huán)境污染、能源枯竭等問題需要靠信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用。同時，隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子組件所占整車成本的比例也在逐步上升。據(jù)資料表明，目前，在歐美國家生產(chǎn)的汽車上，電子組件已占到汽車總成本的20～30%，并且，車用電子組件還以每年8.8％的速度飛快增長，特別是數(shù)字信號處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年驚人的25％速度猛增著?？梢姡娮踊?、集成化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、小型化和個性化已經(jīng)成為并且還將繼續(xù)是汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。本文僅集中探討汽車電子中基于DSP和FPGA的數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)。

　　汽車電子領(lǐng)域也有DSP和FPGA技術(shù)很廣泛的應(yīng)用舞臺。因?yàn)槠渚哂袠O強(qiáng)的實(shí)時性，使實(shí)時處理話音成為可能；由于它是通過面向芯片結(jié)構(gòu)指令的軟件編程來實(shí)現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計方案或原有功能，具有極大的靈活性；又由于其并非專門為某種功能設(shè)計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價格可以很低。所以，如果DSP和FPGA在汽車電子系統(tǒng)中大量應(yīng)用的話，將會極大地促進(jìn)汽車電子技術(shù)的發(fā)展。

　DSP

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。

　　　2 DSP和FPGA在汽車電子中的應(yīng)用

　　比較DSP作為可編程超大規(guī)模集成電路（VLSI）器件，是通過可下載的軟件或固件來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展算法和數(shù)字信號處理功能的，其最典型的用途是實(shí)現(xiàn)FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構(gòu)造單元是被稱為MAC的乘加器，它通常被集成在數(shù)據(jù)信道中，這使得指令周期時間可以跟硬件的算術(shù)周期時間相同。此外，DSP芯片還有若干個獨(dú)立的片內(nèi)存儲器、ROM、RAM、并行功能單元、鎖相環(huán)（PLL）、振蕩器、幾條8位或16位的總線、時鐘中斷電路等。為滿足無線便攜式器件無電保存數(shù)據(jù)的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲器、鐵電存儲器等技術(shù)。當(dāng)前，大多數(shù)的DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線相互分離，使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時進(jìn)行，提高了處理效率。另外還采用了流水線技術(shù)，將取指、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟的指令時間可以重迭起來，大大提運(yùn)算速度。

　　不過，由于現(xiàn)有的FPGA的開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗(yàn)證而設(shè)計的，導(dǎo)致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(fā)時間上效率非常高，而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語言可大大提高設(shè)計能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設(shè)計方法還有一定的局限性，還不能提供FPGA布局布線的優(yōu)化和約束。

　　3 汽車電子中的DSP和FPGA應(yīng)用

　　提到汽車電子的數(shù)字化，不能不想到目前無線通信很看好的軟件無線電技術(shù)，盡管它是針對無線通信的，但軟件無線電所要實(shí)現(xiàn)的思想，與汽車電子之所以要數(shù)字化處理所追求的目標(biāo)卻是殊路同歸的。因此，有必要提及和采用這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思路和思想。軟件無線電概念的首次明確提出是在1992年5月，由MITRE公司的JoeMitola提出，它是當(dāng)今計算技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)在無線通信中應(yīng)用的產(chǎn)物；它所追求的基本思想和目標(biāo)是：構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將多種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，以實(shí)現(xiàn)具有高度靈活性，開放性的通信產(chǎn)品。因此，對于汽車電子數(shù)字化產(chǎn)品的研究，完全可以吸取軟件無線電的以下主要思想：第一，要使汽車電子產(chǎn)品擺脫硬件結(jié)構(gòu)的束縛；第二，并不是不要硬件；第三，汽車電子產(chǎn)品應(yīng)該具有開放性和兼容性，開放是指對使用的開放、對生產(chǎn)的開放和對研制的開放。下面，就基于軟件無線電的思想探討DSP和FPGA在汽車電子中的主要應(yīng)用。

　　隨著應(yīng)用日益多樣化，DSP和FPGA演變成不再是一塊獨(dú)立的芯片，而變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計師能選擇合適的內(nèi)核和專用邏輯“膠結(jié)”在一起形成專用DSP和FPGA方案，以滿足信號處理的需要。目前，還出現(xiàn)把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽車電子系統(tǒng)使用通用DSP和FPGA來實(shí)現(xiàn)語音合成，糾錯編碼。而語音合成、語音壓縮與編碼是DSP最早和最廣泛的應(yīng)用，矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中。