周瑩太原大學(xué)

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基于FPGA的汽車電子設(shè)計研究

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)計對穩(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)計的理想選擇方案，并具有良好的發(fā)展前景。本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，從FPGA的特點出發(fā)，并就FPGA在汽車電子設(shè)計中的應(yīng)用進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，對于采用集成電路設(shè)計的電路系統(tǒng)而言則需要重新設(shè)計、布線與制版。而FPGA由于其具有的靈活性更高、風(fēng)險更小、成本更低以及提供更多功能的特點，甚至可對已投人應(yīng)用的產(chǎn)品進行升級，因此FPGA必然將成為未來汽車電子設(shè)計的理想解決方案。

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)計的邏輯器件，其主要缺點是設(shè)計周期過長、投資大，且設(shè)計結(jié)束后功能固化，以后的設(shè)計改版困難較大。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，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、成本低廉以及可進行實時在線檢驗等特點，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)計當(dāng)中。

2　FPGA在汽車電子設(shè)計中的應(yīng)用

2.1基于FPGA的汽車電子設(shè)計研究

由于FPGA具有上述多種優(yōu)勢與特點，因此在國內(nèi)外對FPGA在汽車電子設(shè)計方面的研究與應(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)、語言信號系統(tǒng)、遠程信息系統(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)計中的應(yīng)用，不僅能夠快速實現(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

GPS+GSM雙重車載定位系統(tǒng)中充分利用了FPGA的強大邏輯控制能力，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)計的雙重定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一般情況下采用GPS實現(xiàn)定位，而在特殊情況時可將GSM網(wǎng)絡(luò)定位功能開通從而實現(xiàn)雙重定位，同時通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸和接收來自監(jiān)控中心的信息，實現(xiàn)監(jiān)控與實時定位等多種功能。

該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要實現(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器、LCD、控制模塊、GPS模塊、GSM模塊與1 個FPGA芯片所構(gòu)成，其中FPGA芯片主要可實現(xiàn)各類接口驅(qū)動、軟核處理以及存儲器等多種功能，并包括了NiosⅡ處理器系統(tǒng)與外設(shè)裝置這兩個部分。

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

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，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)航精度要高于兩個系統(tǒng)單獨工作的精度。

該系統(tǒng)在硬件設(shè)計上選擇NiosⅡ軟核處理器，并選擇在一片F(xiàn)PGA上添加兩個軟核處理器，通過將雙核處理器、外設(shè)裝置、存儲器和I／0接口集成到一個單一的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)計主要包括了兩個部分，即對嵌入式實時操作系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)程序的設(shè)計，其中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)程序主要用以驗證雙核導(dǎo)航處理器是否能滿足系統(tǒng)的需要。

2.4基于FPGA的車用語音信號處理

隨著當(dāng)前在車輛中語音識別技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對其實時性要求也不斷提高，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)，在實時性方面仍有所欠缺。而具有并行運算能力的FPGA主頻的不斷提高，再加上其功耗低、體積小和設(shè)計靈活的特點，可以充分滿足當(dāng)前車用語音信號在實時處理上的要求。

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要有能量計算、語音信號濾波、分幀、加窗等功能模塊所構(gòu)成，語音信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進人FPGA，再對其進行濾波。該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括了仿真測試模型，通過引入HIL模塊實現(xiàn)建模和仿真測試。

3　小結(jié)

基于FPGA的汽車電子設(shè)計，不僅實現(xiàn)了汽車電子的多模塊集中控制，增強了汽車電子設(shè)計的靈活性，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)的維護性與穩(wěn)定性，并方便系統(tǒng)后續(xù)的升級改造，因此FPGA在未來汽車電子設(shè)計中必然將會應(yīng)用愈加廣泛，并成為汽車電子設(shè)計的主要解決方案。

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