目前，我國對(duì)于汽車電子系統(tǒng)的研究還不夠深入。汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、安全氣囊、自動(dòng)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(duì)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(shí)信號(hào)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(jì)算和信息處理產(chǎn)品，提高汽車電子技術(shù)的進(jìn)步，帶動(dòng)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(shí)，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(hào)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(gè)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(shì)。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(tái)。因?yàn)槠渚哂袠O強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，使實(shí)時(shí)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(tái)就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)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(jì)的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價(jià)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(huì)極大地促進(jìn)汽車電子技術(shù)的發(fā)展。

　　DSP

　　數(shù)字信號(hào)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(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)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(hào)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(shí)間可以跟硬件的算術(shù)周期時(shí)間相同。此外，DSP芯片還有若干個(gè)獨(dú)立的片內(nèi)存儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(jì)的，導(dǎo)致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(fā)時(shí)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(jì)能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)算技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)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(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，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(duì)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(duì)使用的開放、對(duì)生產(chǎn)的開放和對(duì)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(jì)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(hào)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(cuò)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(hào)壓縮到有限帶寬的信道中。

　　3.1基于DSP和FPGA的車用語音信號(hào)處理

　　汽車電子產(chǎn)品中的語音處理主要涉及到語音的數(shù)字化處理、語音編解碼、語音壓縮和語音識(shí)別。國外比較熱門的汽車電子產(chǎn)品之一就是語音識(shí)別系統(tǒng)，語音識(shí)別系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用前景，包括聲控電話、語音操作導(dǎo)航、聲控選擇廣播頻道、防盜語音鑒別等。例如，一種基于隱式馬可夫模型(HMM)的與講話人無關(guān)、100條指令識(shí)別的應(yīng)用，由文獻(xiàn)可知，那幺聲學(xué)HMM模型的大小將為。進(jìn)行包括輸入語音采樣的細(xì)分/開窗、MFCC提取、概率計(jì)算和Viterbi搜尋等適時(shí)處理，對(duì)DSP的運(yùn)算量要求一般為10000萬次乘加(MAC)運(yùn)算。對(duì)于連續(xù)語音信號(hào)的識(shí)別，則要求更好的數(shù)字信號(hào)處理速度和更大的存儲(chǔ)空間。

　　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(jì)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(hào)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(cuò)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(hào)壓縮到有限帶寬的信道中。

　　3.2 基于DSP和FPGA的車用圖像信號(hào)處理

　　數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)已是一門較為成熟的二維信號(hào)處理技術(shù)， 現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于通信、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)和軍事等各個(gè)方面，當(dāng)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(yùn)動(dòng)圖像處理和靜止圖像處理。目前，很多行業(yè)的汽車都已經(jīng)開通了全球定位系統(tǒng)(GPS)。車載GPS系統(tǒng)除了傳送自己的位置坐標(biāo)信息，還需傳送自己所處環(huán)境的圖像信息，例如救護(hù)傷員的現(xiàn)場(chǎng)圖景、緊急救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像等。同時(shí)，各個(gè)交通路口的流量監(jiān)控圖像要傳回交通指揮中心，也需要進(jìn)行圖像信號(hào)的處理。

　　對(duì)于這種汽車運(yùn)動(dòng)圖像，主要特點(diǎn)是：第一，多速率壓縮。由于無線信道的時(shí)變特性，系統(tǒng)有效帶寬、傳輸方式和數(shù)據(jù)速率往往會(huì)不斷的變化;相應(yīng)地，需要采用多速率壓縮方式，靈活地適應(yīng)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(shù)據(jù)量約為167Mb/s，要將其壓縮200至6000倍左右，才能適應(yīng)傳輸帶寬的要求。第三，運(yùn)動(dòng)圖像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)圖像由于它本身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)有多普勒頻移問題。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的汽車來說，這種頻移往往是不能忽視，必須對(duì)所獲圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

　　3.3 基于DSP和FPGA的車用自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理

　　FPGA的時(shí)鐘延遲可以達(dá)到納秒級(jí)，結(jié)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(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域。如前所述，由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。因?yàn)槠囯娮赢a(chǎn)品中通常都需要大量的濾波運(yùn)算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA可以有效地實(shí)現(xiàn)乘和累加操作。另一方面，需要的大量的復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來完成的。在汽車電子產(chǎn)品中，對(duì)產(chǎn)品的大小、重量、功耗特別關(guān)注;在數(shù)據(jù)傳輸方面，在汽車電子系統(tǒng)中由聲音信號(hào)數(shù)字化所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，要依靠高性能的DSP和FPGA來減少存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的要求，需要對(duì)視頻信號(hào)與音頻信號(hào)的編碼、解碼、彩色空間轉(zhuǎn)換、回音消除、濾波、誤碼校正、復(fù)用、比特流協(xié)議處理等任務(wù)進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)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(diǎn)和重點(diǎn)問題，利用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論而建立的開環(huán)、死循環(huán)、最優(yōu)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)汽車的最優(yōu)化控制。建立這些控制系統(tǒng)首先對(duì)汽車某個(gè)系統(tǒng)，如點(diǎn)火提前角優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后采用相應(yīng)的控制方法進(jìn)行優(yōu)化控制。但是發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響點(diǎn)火的因素較多，理論推導(dǎo)優(yōu)化點(diǎn)火狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型比較困難。因此，一般采用實(shí)驗(yàn)的方法找出各種工況下的最佳點(diǎn)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(chǔ)器中;這樣可以避免使用計(jì)算機(jī)。在控制過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況(如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等)，用查表的方法，查出該工況下的最佳點(diǎn)火提前角，進(jìn)行修正后再去控制點(diǎn)火。這比傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的控制方法，一方面，大大地減少了體積;另一方面，更具有實(shí)時(shí)性、靈活性。懸架電子控制，是指計(jì)算機(jī)檢測(cè)到轉(zhuǎn)向和制動(dòng)狀況的信號(hào)后，能自適應(yīng)地處理車輛的側(cè)傾、前后仰，并自動(dòng)調(diào)整減震器阻尼力的控制系統(tǒng)， 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(diào)整彈性系統(tǒng)，光柵檢測(cè)器用來測(cè)定轉(zhuǎn)向角等等。而DSP和FPGA的出現(xiàn)和發(fā)展應(yīng)用，已使各系統(tǒng)控制走向集中，形成整車的智能控制系統(tǒng)。

　　4 發(fā)展展望

　　回憶近幾十年來汽車技術(shù)的重大成就，大都是在應(yīng)用電子技術(shù)上進(jìn)行的突破，電子技術(shù)已成為汽車工業(yè)前進(jìn)發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?。DSP和FPGA的出現(xiàn)給汽車產(chǎn)品和汽車電子技術(shù)帶來了革命性的變化，世界汽車工業(yè)的DSP和FPGA用量激增，由從前單片DSP或FPGA處理器發(fā)展成多DSP或FPGA處理器，或DSP和FPGA陣列的高速處理器?；贒SP和FPGA的汽車電子產(chǎn)品能夠滿足未來的汽車發(fā)展的需要，并且，在多種車型并存的時(shí)代里，由以DSP和FPGA為核心所構(gòu)建的通用硬件平臺(tái)，可以通過不同的軟件加載的方式來實(shí)現(xiàn)這種兼容。伴隨著未來汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP和FPGA的速度將會(huì)不斷提高。

　　就DSP而言，目前發(fā)展很快，主要的趨勢(shì)有：在單片DSP中實(shí)現(xiàn)多個(gè)MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線和數(shù)據(jù)總線、更高的工作頻率;從結(jié)構(gòu)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(shù)更多。目前Lucent和XILINX公司均有10萬門以上的產(chǎn)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。