1 导言
20世纪末，全球规模内鼓起的信息革新浪潮，为轿车工业的打破性开展供给了千载一时的机会，信息技能的广泛运用是处理轿车带来的比方交通拥堵、交通安全、环境污染、动力干涸等问题的最佳途径。一起，跟着轿车电子技能的开展，电子组件所占整车本钱的份额也逐渐上升。据统计材料标明，现在，在欧美国家出产的轿车上，电子组件已占到轿车总本钱的20%～30%，而且，车用电子组件还以每年8.8％的速度快速增加，特别是数字信号处理器芯片（DSP）的用量更是将以每年25％的速度增加。估量到2005年，轿车电子组件的市场规划，将到达170亿美元。由此可见，电子化、集成化、数字化、信息化、网络化、智能化、小型化和个性化现已成为而且还将持续是轿车工业开展的重要趋势。本文仅会集讨论轿车电子中依据DSP和FPGA的数字化运用技能。
DSP和 FPGA技能在许多范畴均有广泛的运用，在轿车电子范畴也有它广泛的运用舞台。因为具有极强的实时性，使其对话音进行实时处理成为可能；因为它是经过面向芯片结构指令的软件编程来完结其功用的，因此仅修正软件而不需改硬件渠道就能够改善体系原有规划计划或原有功用，具有极大的灵敏性；又因为 DSP和FPGA芯片并非专门为某种功用规划的，因此运用规模广、产量大、价格能够降到很低。所以，DSP和FPGA在轿车电子体系中许多运用，将会极大地促进轿车电子技能的开展。
2 DSP和FPGA在轿车电子中的运用比较
DSP作为可编程超大规划集成电路(VLSI)器材，是经过可下载的软件或固件来完结扩展算法和数字信号处理功用的，其最典型的用处是完结FIR滤波器和FFT算法。在硬件上，DSP最根本的结构单元是被称为MAC的乘加器，它一般被集成在数据信道中，这使得指令周期时刻能够跟硬件的算术周期时刻相同。此外，DSP芯片还有若干个独立的片内存储器、ROM、RAM、并行功用单元、锁相环(PLL)、振荡器、几条8位或16位的总线、时钟中止电路等。为满意无线便携式器材无电保存数据的要求，DSP芯片还选用了比方闪速存储器、铁电存储器等技能。当时，大多数的DSP芯片选用改善的哈佛结构，即数据总线和地址总线彼此别离，使得处理指令和数据能够一起进行，前进了处理功率。别的还选用了流水线技能，将取指、取操作数、执指等过程的指令时刻能够重迭起来，大大提运算速度。
FPGA 指的是现场可编程门阵列，它的根本功用模块是由n输入的查找表，存储数据的触发器和复路器等组成。这样，只需正确地设置了其间的数据，查找表就能够经过对中的数据的读取而完结输入的恣意布尔函数。触发发器则用来存储数据，如有限状况机的状况信息。复路器能够挑选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，就能够完结不同的组合逻辑和时序逻辑。因为FPGA内部结构的特色，它能够很简单的完结分布式的算法结构，这一点对完结轿车电子中的高速数字信号处理非常有利。因为FPGA器材完结的各功用块能够一起作业，然后完结指令级、比特级、流水线级乃至是使命级的并行履行，然后大大地加快了核算速度。由FPGA完结的核算体系能够到达现有通用处理器的数百乃至上千倍。而且，因为FPGA可动态地装备，体系的硅片面积不再是所支撑无线接口数的线形函数，因此有可能在很少的几片乃至一片FPGA中集成一个支撑一切规范的体系。不过，因为现有的FPGA的开发体系简直都是为ASIC的原型验证而规划的，导致这些开发体系在节约工程开发时刻上功率非常高，而在FPGA资源的运用功率方面却比较差。HDL言语可大大前进规划才干，但在最大极限地发挥器材功用方面HDL的规划办法还有必定的局限性，还不能供给 FPGA布局布线的优化和捆绑。
3 轿车电子中的DSP和FPGA运用
说到轿车电子的数字化，不能不想到现在无线通讯很看好的软件无线电技能，虽然它是针对无线通讯的，但软件无线电所要完结的思维，与轿车电子之所以要数字化处理所寻求的方针却是殊路同归的。因此，有必要提及和选用这一技能的完结思路和思维。软件无线电概念的初次明确提出是在1992年5月，由 MITRE 公司的Joe Mitola提出，它是当今核算技能、超大规划集成电路和数字信号处理技能在无线通讯中运用的产品；它所寻求的根本思维和方针是：结构一个具有敞开性、规范化、模块化的通用硬件渠道，将多种功用，如作业频段、调制解调类型、数据格式、加密形式、通讯协议等用软件来完结，以完结具有高度灵敏性，敞开性的通讯产品。因此，关于轿车电子数字化产品的研讨，完全能够汲取软件无线电的以下首要思维：榜首，要使轿车电子产品脱节硬件结构的捆绑；第二，并不是不要硬件；第三，轿车电子产品应该具有敞开性和兼容性，敞开是指对运用的敞开、对出产的敞开和对研发的敞开。下面，就依据软件无线电的思维讨论DSP和FPGA在轿车电子中的首要运用。
3.1依据DSP和FPGA的车用语音信号处理
轿车电子产品中的语音处理首要涉及到语音的数字化处理、语音编解码、语音紧缩和语音辨认。国外比较抢手的轿车电子产品之一便是语音辨认体系，语音辨认体系具有潜在的运用远景，包含声控电话、语音操作导航、声控挑选播送频道、防盗语音辨别等。例如，一种依据隐式马可夫模型（HMM）的与说话人无关、 100条指令辨认的运用，由文献可知，那幺声学HMM模型的巨细将为。进行包含输入语音采样的细分/开窗、MFCC提取、概率核算和Viterbi搜索等当令处理，对DSP的运算量要求一般为10000万次乘加（MAC）运算。关于接连语音信号的辨认，则要求更好的数字信号处理速度和更大的存储空间。
因为语音辨认体系要对声响进行实时处理和采样，需求许多的运算，假如以它们20%的核算资源分配用于1000万次MAC语音辨认运用，那么需求处理器能够具有5000万次MAC的才干。因此，有必要选用DSP和FPGA才干完结其使命。DSP和FPGA的处理速度对语音信号处理运用体系的杂乱性和功用起着决定性效果，高速DSP和FPGA的完结可完结声道自习惯和声域自习惯等现代语音处理和辨认技能。从理论上讲，DSP和FPGA处理速度越快，轿车语音处理和辨认产品的运用功用就越好。
跟着运用日益多样化， DSP和FPGA演变成不再是一块独立的芯片，而变成了构件内核。这使得规划师能挑选适宜的内核和专用逻辑“胶结”在一起构成专用DSP和FPGA计划，以满意信号处理的需求。现在，还呈现把DSP核和ASIC微操控器集成在一起的芯片。轿车电子体系运用通用DSP和FPGA来完结语音组成，纠错编码。而语音组成、语音紧缩与编码是DSP最早和最广泛的运用，矢量编码器用于将语音信号紧缩到有限带宽的信道中。
3.2 依据DSP和FPGA的车用图画信号处理
数字图画处理与剖析技能已是一门较为老练的二维信号处理技能，现已被广泛运用于通讯、生物医学、工业检测和军事等各个方面，当然在轿车电子中也将涉及到许多的图画处理处理。轿车电子中的图画处理首要包含运动图画处理和静止图画处理。现在，许多职业的轿车都现已开通了全球定位体系（GPS）。车载 GPS体系除了传送自己的方位坐标信息，还需传送自己所在环境的图画信息，例如救助伤员的现场图景、紧迫救灾现场图画等。一起，各个交通路口的流量监控图画要传回交通指挥中心，也需求进行图画信号的处理。关于这种轿车运动图画，首要特色是：榜首，多速率紧缩。因为无线信道的时变特性，体系的有用带宽、传输办法和数据速率往往会不断的改变；相应地，需求选用多速率紧缩办法，灵敏地习惯信道带宽的这种改变。第二，紧缩份额大。比方NTSC电视图画的数据量约为 167Mb/s，要将其紧缩200至6000倍左右，才干习惯传输带宽的要求。第三，运动图画的运动补偿。运动图画因为它自身的相对运动，会有多普勒频移问题。关于高速运动的轿车来说，这种频移往往是不能忽视，有必要对所获图画进行运动补偿。
近年来，跟着微电子技能的迅猛开展和芯片制作工艺的前进，DSP和FPGA不断涌现，曩昔的一个机箱、乃至一个机柜的信号处理体系，现在完全能够由单片的DSP或FPGA来完结，体系规划也将从曩昔的PCB板规划过渡到VLSI与UVLSI (甚大规划集成电路)芯片的规划。与此一起，因为DSP和FPGA技能的许多选用，数字图画处理就硬件结构方面也发生了严重改变，它已由根本的串行结构开展成平行处理结构，由单片DSP或FPGA处理器开展成多DSP或FPGA处理器体系，或带阵列DSP和FPGA的高速处理体系。跟着社会和经济的开展， 以及人们对数字图画处理体系实时性的要求也越来越高，依据DSP和FPGA的数字图画处理体系在轿车电子产品中的运用规模将会越来越广， 例如车载会议电视、车载可视电话、车载机器视觉等。
3.3 依据DSP和FPGA的车用自习惯实时处理
FPGA的时钟推迟能够到达纳秒级，结合DSP和FPGA的并行处理办法，因此DSP和 FPGA非常合适超高速和实时信号处理范畴。如前所述，因为 FPGA内部结构的特色，它能够很简单的完结分布式的算法结构，这一点对完结轿车电子中的高速数字信号处理非常有利。因为轿车电子产品中一般都需求许多的滤波运算，而这些滤波函数往往需求许多的乘和累加操作，而经过分布式的算术结构，FPGA能够有用地完结乘和累加操作。另一方面，需求的许多的杂乱的数学运算，能够依托DSP或由DSP核组成的ASIC来完结的。在轿车电子产品中，对产品的巨细、分量、功耗特别重视；在数据传输方面，在轿车电子体系中由声响信号数字化所发生的许多数据，要依托高功用的DSP和FPGA来削减存储空间和传输带宽的要求，需求对视频信号与音频信号的编码、解码、五颜六色空间转化、回音消除、滤波、误码校对、复用、比特流协议处理等使命进行自习惯实时处理，这是往往非DSP和FPGA不能完结的。
操控理论处理是轿车电子中的难点和要点问题，运用经典和现代操控理论而树立的开环、死循环、最优、自习惯操控体系来完结轿车的最优化操控。树立这些操控体系首要对轿车某个体系，如焚烧提早角优化操控体系进行辨认，树立该体系的数学模型，然后选用相应的操控办法进行优化操控。可是发动机自身结构比较杂乱，影响焚烧的要素较多，理论推导优化焚烧状况下的数学模型比较困难。因此，一般选用试验的办法找出各种工况下的最佳焚烧提早角，然后存入依据DSP和 FPGA或DSP和 FPGA阵列加大容量外部存储器中；这样能够避免运用核算机。在操控过程中，体系实时地检测发动机的工况（如发动机转速、功率等），用查表的办法，查出该工况下的最佳焚烧提早角，进行修正后再去操控焚烧。这比传统的依据核算机的操控办法，一方面，大大地削减了体积；另一方面，更具有实时性、灵敏性。悬架电子操控，是指核算机检测到转向和制动状况的信号后，能自习惯地处理车辆的侧倾、前后仰，并主动调整减震器阻尼力的操控体系，它能避免歪斜并前进车轮的地上附着力，超声波高度传感器用来操控车身高度，空气绷簧用来调整弹性体系，光栅检测器用来测定转向角等等。而DSP和FPGA的呈现和开展运用，已使各体系操控走向会集，构成整车的智能操控体系。
“智能交通体系”作为未来轿车和交通职业一起的寻求方向，它将包含智能公路和智能轿车体系。它结合先进得公路信息处理技能和雷达防撞技能，将公路和轿车连为一个全体，能够极大地前进轿车流量，大幅度地下降交通事故的发生率。因此，轿车智能化相关的产品已遭到轿车制作商们的高度重视。智能交通体系能依据驾驶员供给的方针材料，向驾驶员供给间隔最短，而且能绕开车辆密度相对会集处的最佳行驶路线。“安全榜首”永远是用户购车的榜首挑选，现在研讨比较热的车用毫米波自习惯防撞雷达，便是为处理高速公路上的因为撞车而形成的许多交通事故而研发的。因为在高速公路轿车间的相对速度都很高，而对雷达回波信号频差的提取是有必要实时地。因此，关于对雷达回波信号频差的提取和处理，以及自习惯防撞操控体系的反应操控处理，往往是选用DSP或FPGA来完结的。
4 开展展望
纵观近几十年来轿车技能的严重成就，大都是在运用电子技能上进行的打破，电子技能已成为轿车工业开展的重要动力源泉。DSP和FPGA的呈现给轿车产品和轿车电子技能带来了革新性的改变，国际轿车工业的DSP和FPGA用量激增，由早年单片DSP或FPGA处理器开展成多DSP或FPGA处理器，或 DSP和FPGA阵列的高速处理器。依据DSP和FPGA的轿车电子产品能够满意未来的轿车开展的需求，而且，在多种车型并存的年代里，由以DSP和 FPGA为核心所构建的通用硬件渠道，能够经过不同的软件加载的办法来完结这种兼容。伴跟着未来轿车电子技能的不断开展，DSP和FPGA的速度将会不断前进。就DSP而言，现在开展很快，首要的趋势有：在单片DSP中完结多个MAC、更多的寄存器、更宽的程序总线和数据总线、更高的作业频率；从结构上，选用SIMD以及MIMD，选用超长指令等。就FPGA而言，因为亚微米工艺的选用，其速度更快，门数更多。现在Lucent和XILINX公司均有10 万门以上的产品，而且集成了一些新的功用，如System on Chip，Programming on System等，使其愈加灵敏。
我国关于轿车电子体系的研讨还不行深化。轿车制动防抱死体系、安全气囊、主动变速器和柴油机电控体系等仅在部分高校和企业进行了探索性研讨，并未进入实用阶段。以轿车电子技能为代表的高新技能，正是我国轿车工业开展的“瓶颈”。针对这种状况，我国轿车电子技能的研讨不只应以轿车的节能、环保、安全为要点，力求赶快把握它们的核心技能，缩小与发达国家的距离，更应以车载通讯和高速实时信号处理技能这类新式技能为打破口，依托国家信息技能研讨的效果，开发先进的车载核算和信息处理产品，带动整个轿车电子技能的前进，前进我国轿车的电子化水平。 (发布者：chiying)
