安全性是汽車消費(fèi)者最關(guān)心的問題了。圖1給出了Visteon進(jìn)行的一項(xiàng)研究結(jié)果，圖中顯示出客戶對(duì)汽車的要求，而車輛安全性位于核心。對(duì)于汽車安全性的關(guān)注不僅僅是為了司機(jī)和乘客，還有道路上的其他人。安全設(shè)備已經(jīng)從物理領(lǐng)域轉(zhuǎn)向電子領(lǐng)域，從輪胎和剎車技術(shù)的進(jìn)步，到側(cè)撞保護(hù)和安全氣囊，直到今天的輔助駕駛系統(tǒng)。最新的汽車采用了大量的電子技術(shù)和傳感器，不斷監(jiān)測(cè)和評(píng)估周圍的環(huán)境、為司機(jī)顯示相關(guān)信息，并且在某些情況下，甚至接管車輛的控制。在提高汽車安全性、舒適性和駕駛效率方面，這些電子系統(tǒng)起著重要的作用。



　　輔助駕駛系統(tǒng)可提供基本的安全功能，如增加紅外（IR）相機(jī)來提高觀察能力。更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)還可利用范圍廣泛的傳感器來提醒潛在的危險(xiǎn)情況，從而使車輛可意識(shí)到周圍的交通情況、車道和行駛方向以及可能的碰撞目標(biāo)。最終的目標(biāo)是車輛能夠自動(dòng)對(duì)這種信息做出反應(yīng)，為司機(jī)提供信息以及特殊情況下的車輛控制能力，從而可保證乘客的安全。例如，有些最新的卡車中安裝了視頻攝像機(jī)來監(jiān)視前面的道路情況。如果車輛在沒有使用指示燈的情況下改變行駛路徑，比如可能是由于司機(jī)太疲勞了，那么系統(tǒng)就會(huì)通過車內(nèi)的揚(yáng)聲器給出聲音告警。

　　通過消除繁瑣的駕駛動(dòng)作，輔助駕駛還可提供更高的舒適水平。例如，傳統(tǒng)的巡航控制允許司機(jī)設(shè)定一個(gè)固定的行駛速度，同時(shí)在需要時(shí)可手動(dòng)控制。而現(xiàn)在的汽車則提供自動(dòng)巡航控制（ACC）功能，可以自動(dòng)控制油門和剎車來適應(yīng)前面車輛的速度，從而與其保持安全距離。如果前面的車輛加速開走或改變行駛路徑，ACC會(huì)自動(dòng)返回傳統(tǒng)巡航控制的預(yù)設(shè)速度。

　　輔助駕駛系統(tǒng)還有希望利用所謂的“電子牽引裝置”來提高交通效率。例如，車隊(duì)的領(lǐng)頭卡車由司機(jī)手動(dòng)駕駛，但后隨的卡車則自動(dòng)駕駛。除了減輕司機(jī)的許多負(fù)擔(dān)以外，卡車間的距離也可大大縮短，因?yàn)殡娮禹憫?yīng)速度更為迅速。這樣不僅可節(jié)約完整的道路面積空間，而且由于前面車輛的后向氣流的影響，還要節(jié)約燃料。

　　另一種新興的安全技術(shù)稱為“被動(dòng)式乘員識(shí)別系統(tǒng)”。美國(guó)政府要求從2006年開始的所有新款汽車都必須能夠根據(jù)乘員的體型來打開氣囊。此類系統(tǒng)使得保護(hù)氣囊能夠“智能”打開或收縮。這種基于乘員體重的系統(tǒng)將可幫助汽車制造商滿足最近公布的《美國(guó)聯(lián)邦車輛標(biāo)準(zhǔn)安全法規(guī)》FMVSS-208的要求。該法規(guī)要求氣囊必須能夠針對(duì)不同乘員的體重更為有效地打開。從2004年開始，每家汽車制造商在美國(guó)銷售的車輛中有35%必須裝備先進(jìn)的氣囊系統(tǒng)，這一數(shù)字到2006 年將提高到接近100%。較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)采用安裝在乘員座墊下的體重傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。高級(jí)乘員識(shí)別算法和快速信號(hào)處理使汽車氣囊控制器可根據(jù)不同的情況來打開或收縮乘員氣囊，從而可大大提高乘員安全性并降低修理成本。更為高級(jí)的系統(tǒng)則采用安裝在車內(nèi)的相機(jī)來檢測(cè)和識(shí)別乘員，同時(shí)在算法上考慮到乘員調(diào)試及離氣囊的距離來判斷事故發(fā)生時(shí)氣囊打開的時(shí)間、速度和程度。

　　Xilinx FPGA在輔助駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　圖2給出了賽靈思現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）應(yīng)用于ACC輔助駕駛系統(tǒng)的一個(gè)概念性框圖。



　　系統(tǒng)劃分為超高速輸入處理和相對(duì)低速的傳感器輸入和輸出控制信息，每個(gè)部分都在相應(yīng)處理器（例如，一個(gè)Xilinx MicroBlaze 32嵌入式軟內(nèi)核處理器或者Virtex-II Pro FPGA中嵌入的IBM PowerPC）的控制之下。高速部分專用于對(duì)安裝在車輛前面的視頻攝像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。由于應(yīng)用（防碰撞、緊急處理和告警）本身的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)處理絕對(duì)是非常關(guān)鍵的。通常需要兩個(gè)或更多相機(jī)來獲得立體圖像，這樣就可以在FPGA中計(jì)算出圖像的深度（直接與前面物體的實(shí)際距離相關(guān)）。結(jié)合雷達(dá)和激光測(cè)量，以及來自陀螺儀和車輪傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)信息，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出車輛周圍的情況和行駛路線。利用完全靈活的FPGA來代替成品視頻組件，設(shè)備制造商可容易地開發(fā)出區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)廠商系統(tǒng)性能的、獨(dú)特的、優(yōu)化的邊緣檢測(cè)、圖像深度和增強(qiáng)算法。實(shí)時(shí)捕捉并處理這些信息需要使用計(jì)算密集的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法。然而，軟件處理無法滿足性能要求；盡管傳統(tǒng)DSP處理器也是一種選擇，但通常需要多片器件才能完成如此高速的任務(wù)。甚至ASSP視頻處理器也無法與 Xilinx FPGA（也稱為XtremeDSP處理）的極高速DSP性能相比。在視頻處理完以后，決策樹機(jī)制可以劃分為針對(duì)緊急算法（如緊急的防碰撞過程）的硬件部分，以及用于行駛路徑偏差等的聲音告警的處理器軟件部分。將速度關(guān)鍵的處理過程劃分到FPGA硬件中還可以對(duì)實(shí)時(shí)速度進(jìn)行測(cè)試，而這對(duì)于軟件是不可能的。

　　XtremeDSP 實(shí)時(shí)圖像處理



那么為什么Xilinx FPGA能夠提供比傳統(tǒng)DSP更快的視頻處理性能呢？最根本的原因是由于FPGA結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理。來自Xilinx的最新Vir tex- Pro系列器件還集成有嵌入式高性能乘法器模塊陣列，可以進(jìn)一步提高圖像處理的能力。與此相對(duì)比，DSP處理器順序執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)，并且以串行方式處理他們。因此FPGA可配置為能夠并行執(zhí)行多個(gè)操作（在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)）的乘法累加（MAC）單元陣列，而不是像傳統(tǒng)的DSP中那樣需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能在一個(gè)或少量MAC單元中執(zhí)行完畢。


　　Xilinx FPGA還具有可利用準(zhǔn)確的MAC陣列來滿足計(jì)算要求的額外優(yōu)點(diǎn)。這些特性對(duì)于完成圖像計(jì)算非常理想。這樣就可對(duì)圖像中的多個(gè)像素簇（如離散余弦變換（DCT）的宏塊）進(jìn)行并行計(jì)算，而不必依序掃描整個(gè)圖像。FPGA性能的提高還帶來更多額外好處，例如，緩沖像素值所需要的存儲(chǔ)器數(shù)量可更小，因?yàn)楝F(xiàn)在可實(shí)時(shí)處理。

　　除了實(shí)時(shí)性能以外，Xilinx FPGA的可重編程能力還提供了優(yōu)異的系統(tǒng)靈活性，支持算法升級(jí)（即使在部署以后）。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槟壳暗妮o助駕駛系統(tǒng)仍然處于早期研發(fā)階段。隨著邊沿和目標(biāo)檢測(cè)算法的不斷改進(jìn)，可在數(shù)分鐘中內(nèi)完成硬件升級(jí)，而且不需要重新設(shè)計(jì)電路板。

　　利用可編程外設(shè)橋接汽車網(wǎng)絡(luò)

　　隨著汽車中演化出真正小型網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備制造商必須確定在眾多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中哪種標(biāo)準(zhǔn)將是最成功的，或者哪些標(biāo)準(zhǔn)能夠?yàn)樽约簬�來最大的好處。不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被用來滿足汽車中的不同需要，從駕駛艙內(nèi)的多媒體范圍（面向多媒體的系統(tǒng)傳輸，MOST）直到汽車控制網(wǎng)絡(luò)（如FlexRay）。圖2中選擇了一種預(yù)驗(yàn)證的控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）接口內(nèi)核作為例子。

　　可應(yīng)用于車內(nèi)的一種此類新興網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是藍(lán)牙。藍(lán)牙無線技術(shù)是一種用于移動(dòng)設(shè)備和WAN/LAN接入點(diǎn)的低成本、低功耗的短距離射頻技術(shù)。這種源于計(jì)算和電信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)描述了手機(jī)、計(jì)算機(jī)和PDA等設(shè)備之間如何利用一種短距離無線連接實(shí)現(xiàn)方便的互連。

　　例如，駕駛員可以利用藍(lán)牙無繩耳機(jī)與口袋中的手機(jī)通信。因此可避免司機(jī)分心并提高了安全性。汽車工業(yè)成立了一個(gè)特殊興趣組（SIG）來定義藍(lán)牙汽車標(biāo)準(zhǔn)。該特殊興趣組的成員包括汽車多媒體接口協(xié)作組織(AMIC)、寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、福特、通用汽車、豐田汽車以及大眾汽車有限公司等。藍(lán)牙在汽車中應(yīng)用的一個(gè)例子Johnson Controls公司的免提手機(jī)系統(tǒng)“BlueConnect”，該系統(tǒng)允許司機(jī)在雙手扶住方向盤的情況下通過支持藍(lán)牙功能的手機(jī)保持聯(lián)系。

　　然而，藍(lán)牙器件的長(zhǎng)期支持還存在問題，同時(shí)車內(nèi)環(huán)境噪聲對(duì)于藍(lán)牙設(shè)備工作的影響也需要認(rèn)真考慮。轎車和其他車輛的壽命要比消費(fèi)類產(chǎn)品或手機(jī)長(zhǎng)得多，因此芯片制造商必須解決由此而帶來的支持和服務(wù)生命期不匹配的問題。然而，最近在底特律舉辦的Convergence 2002展會(huì)上，克萊斯勒集團(tuán)展出了應(yīng)用了藍(lán)牙技術(shù)的汽車。

　　與采用ASSP相比，采用FPGA的最大好處之一是允許工程師設(shè)計(jì)出精確匹配系統(tǒng)要求的接口和外設(shè)。在開發(fā)的早期階段試圖連接到不同的汽車網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這一點(diǎn)特別有用。當(dāng)試圖快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)，芯片組或ASIC重新設(shè)計(jì)即成本昂貴又耗費(fèi)時(shí)間。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的早期，如果網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)格有所變化，為了支持最新的版本，在使用FPGA的設(shè)計(jì)時(shí)只需要簡(jiǎn)單地修改軟件，然后再重新下載FPGA硬件配置就可以了。甚至還要以利用Xilinx IRL（因特網(wǎng)可重配置邏輯）通過廣域網(wǎng)來完成這一點(diǎn)，因此不需要成本高昂的派工費(fèi)用或額外的人力就可以通過遠(yuǎn)程維護(hù)完成硬件修改。

　　針對(duì)汽車應(yīng)用的Xilinx IQ解決方案

　　為滿足汽車電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員的需要，賽靈思（Xilinx）公司推出了一系列支持?jǐn)U展工業(yè)溫度范圍的新器件。稱為“IQ”范圍的這些新器件包括Xilinx 目前符合擴(kuò)展溫度級(jí)（Q）要求的現(xiàn)有工業(yè)級(jí)（I）FPGA和CPLD（表1）。符合新的IQ溫度范圍要求的第一批器件是密度范圍從5K門至3K門的 Spartan-XL 3.3V FPGA，以及36和72宏單元的XC9500XL 3.3V CPLD。在未來的幾個(gè)月時(shí)間里，IQ溫度范圍器件將會(huì)擴(kuò)展包括密度高達(dá)30萬門的FPGA器件，以及密度高達(dá)512個(gè)宏單元的CPLD器件，如表2所示。

　　結(jié)論

　　輔助駕駛系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用需要高性能圖像處理，同時(shí)又不希望犧牲在目標(biāo)檢測(cè)和汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)的早期階段所需要的靈活性。采用Xilinx FPGA作為此類系統(tǒng)的核心為業(yè)界提供了最佳的DSP性能和無與倫比的網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)支持能力，同時(shí)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)完全靈活的設(shè)計(jì)平臺(tái)。通過可實(shí)時(shí)工作的此類系統(tǒng)，為駕駛?cè)藛T提供緊急駕駛告警或輔助車輛控制功能就成為可能，從而可大大提高車輛駕駛和乘座的安全性