智能車載信息系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)美國交通部的一項研究，全世界人們每周在汽車上度過的交通時間超過5億小時。既然花在汽車上的時間如此之多，人們希望能夠利用這些時間來享受娛樂，同心愛的人說說話，甚至完成一些通常需要在工作場所才能完成的任務(wù)。

        在汽車中保持聯(lián)系是人們最想實(shí)現(xiàn)的，這只要看一看手機(jī)的使用就可以知道。另外，路上遭遇嚴(yán)重的交通堵塞，走錯了路，或者遇到像汽油用完了之類的常事，都可能影響您準(zhǔn)時到達(dá)目的地。

            　　如何才能讓駕駛者在安全駕駛的同時保持聯(lián)系，并按時到達(dá)目的地呢？巧妙的方法是通過語音命令結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行通信和控制。Microsoft
            Telematics
            Platform(微軟車載信息處理平臺)提供了這一功能，它是一種用于集成各種移動設(shè)備和通過互聯(lián)網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)傳送信息的集線器。
            　　微軟車載信息處理平臺提供以下功能：
            　　·高級的優(yōu)質(zhì)語音識別與合成技術(shù)
            　　·點(diǎn)播Web服務(wù)，如避免交通堵塞，訪問最新頭條新聞，或通過“MSN汽車”頻道(目前僅適用于美國)查找距離最近價格最低的加油站
            　　·個性化導(dǎo)航：借助GPS尋找感興趣的地點(diǎn)或指引方向
            　　·
            PDA/手機(jī)集成藍(lán)牙技術(shù)，將手機(jī)和PDA無線連接到汽車的電子系統(tǒng)，讓駕駛者能夠通過汽車的音響系統(tǒng)使用語音來撥打和接聽電話、獲得會議提醒和訪問重要數(shù)據(jù)。

            　　·通過遠(yuǎn)程診斷檢查車輛的“健康”狀況，包括故障與維護(hù)報警，從而有可能提高
            微軟公司的汽車業(yè)務(wù)部與賽靈思共同創(chuàng)建了能夠以低成本點(diǎn)提供這些優(yōu)點(diǎn)的參考平臺，從而促進(jìn)了面向全世界駕駛者的更簡單、更可靠且消費(fèi)得起的解決方案的開發(fā)。

            靈活和可伸縮的平臺
            　　傳統(tǒng)的汽車電子設(shè)計方法一直是根據(jù)汽車制造商的需要開發(fā)很具體的、定制的和固定的解決方案。車載信息系統(tǒng)與信息娛樂正迫使汽車工業(yè)對被設(shè)計到一個典型的“聯(lián)網(wǎng)汽車”中的產(chǎn)品和系統(tǒng)進(jìn)行重新思考。

            　　消費(fèi)世界與汽車的融合(如車載信息系統(tǒng)等應(yīng)用)已將“消費(fèi)開發(fā)”思想強(qiáng)行灌輸給一個傳統(tǒng)上緩慢、保守且由成本驅(qū)動的行業(yè)。由消費(fèi)行業(yè)帶來的新需求要求快速變化，因為消費(fèi)者總是期待著有新的大事的出現(xiàn)。

            　　這種需求迫使人們尋求不僅能夠滿足當(dāng)前應(yīng)用而且能夠?qū)崿F(xiàn)未來和潛在未知特性的靈活架構(gòu)和設(shè)計改變方法。這與典型的汽車電子設(shè)計通常所要求的多年的開發(fā)與驗證周期存在沖突?，F(xiàn)在，一個目前開發(fā)的平臺(用于兩三年后發(fā)布的新車)擁有能夠應(yīng)對在整個產(chǎn)品開發(fā)周期內(nèi)和推出后發(fā)生的未知變化的足夠系統(tǒng)資源是必需的。

            　　對任何平臺而言，靈活性和伸縮性對架構(gòu)能否成功獲得市場接受都至關(guān)重要，無論是基本系統(tǒng)還是高性能的高端車載信息系統(tǒng)。鑒于此，微軟開發(fā)了一個真正可以定制和伸縮的汽車標(biāo)準(zhǔn)車載信息處理平臺。

            　　該平臺整合了一個基于ARM9的微控制器，支持32MB閃存/32MB
            DRAM以上的內(nèi)存，并包含集成GPS藍(lán)牙和一個GSM電話模塊。外部車輛連接包括一個CAN網(wǎng)絡(luò)接口以及有保護(hù)的模擬和數(shù)字I/O，用于實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動和按鈕輸入等功能。該平臺的基本架構(gòu)如圖1所示。

            　　微軟利用了FPGA技術(shù)的靈活性和高集成度能力。該平臺使用了一個Spartan-3 XC3S400
            FPGA，用于實(shí)現(xiàn)多個獨(dú)立的目的，如GSM電話接口、車輛接口(CAN控制器和K-線路)以及復(fù)雜的音頻信號調(diào)節(jié)和路由功能(如圖2所示)。

 
            　　FPGA提供的高集成度也具有在一個器件內(nèi)包含多種總線、接口和時鐘的優(yōu)點(diǎn)，從而使利用EMI的設(shè)計容易管理。此外，減少組件數(shù)量和電路板空間將降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)更高的制造質(zhì)量，在任何汽車設(shè)計中這些都是重要的因素。

            　　在了解了車輛開發(fā)的實(shí)質(zhì)和目前已有的眾多不同的車輛接口，微軟有意設(shè)計了一個靈活的解決方案，可允許對后端車輛接口進(jìn)行快速修改而不影響下層架構(gòu)和系統(tǒng)性能。例如，在未來將有可能調(diào)節(jié)FPGA解決方案，使之能滿足帶有諸如MOST、IDB-1394或其它數(shù)字車輛網(wǎng)絡(luò)等汽車總線的最終應(yīng)用的需求。

            語音識別系統(tǒng)
            　　微軟車載信息處理平臺的核心是語音識別(VR)系統(tǒng)。任何VR系統(tǒng)中的音頻信號路徑都是模擬偏置/濾波、數(shù)字化和數(shù)字濾波，最后才將信號送到VR引擎進(jìn)行語音處理。

            　　在此路徑中，存在多個多余噪聲進(jìn)入系統(tǒng)(包括電氣平臺上和汽車環(huán)境內(nèi)，甚至在這些電子裝置之前)的機(jī)會。產(chǎn)品開發(fā)者和汽車制造商都必須確保話筒位置和類型能正確地適用于應(yīng)用和環(huán)境。 

            　　在完美的情況下，VR系統(tǒng)將接收到干凈、連續(xù)的語音信號--但鑒于汽車環(huán)境的動態(tài)本質(zhì)，設(shè)計可接受的語音識別并不是一件容易的事。諸如車速、車窗狀態(tài)(開/關(guān))、道路噪聲以及天氣狀況(雨/風(fēng))等因素將進(jìn)一步惡化本來已很難解決的VR系統(tǒng)問題，如語言、口音和性別等。這些附加的因素增強(qiáng)了在信號到達(dá)VR引擎之前采用高適應(yīng)性數(shù)字濾波算法對其進(jìn)行預(yù)處理的重要性。

            　　微軟選擇了用硬件來實(shí)現(xiàn)這種信號預(yù)處理功能，并采用了賽靈思的并行DSP處理。Spartan-3
            FPGA具有多達(dá)104個嵌入式18位乘法器，特別適合用于在一個低成本器件中實(shí)現(xiàn)緊湊DSP結(jié)構(gòu)，如MAC引擎、分布式算術(shù)FIR濾波器以及全并行FIR濾波器。

            　　微軟還將處理器密集型軟件濾波任務(wù)卸載到硬件中來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這種預(yù)處理也可以用ASSP來實(shí)現(xiàn)，如專用DSP芯片。但這樣做就會失去通過該平臺其它部分的高度集成所獲得的好處。

            　　車載信息系統(tǒng)與VR的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)專門適用于某些類型的用戶和環(huán)境(如語言：英語；口音：蘇格蘭；性別：女)的可適應(yīng)和可升級的VR引擎和DSP濾波器。

            　　在設(shè)計汽車產(chǎn)品(特別是車輛的信息娛樂部分)時留有充分備用資源以適應(yīng)新的和意外的未來升級的重要性同樣適用于FPGA?，F(xiàn)在對汽車OEM廠商來說越來越清楚的是，采用靈活和可伸縮固件的架構(gòu)在未來平臺中是必需的。

            　　雖然目前的微軟平臺中沒有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)處理器，但可以很容易地通過添加軟處理器來實(shí)現(xiàn)。就像在微軟的設(shè)計中把DSP處理負(fù)荷從主處理器上卸載一樣，也可以使用嵌入式處理器(如Xilinx
            32位MicroBlaze軟處理器或8位PicoBlaze微控制器)從主系統(tǒng)處理器上卸載一些處理負(fù)荷。
            用于汽車應(yīng)用的FPGA
            　　近年來車載電子設(shè)備出現(xiàn)了巨大的增長，不僅傳統(tǒng)的車身控制和發(fā)動機(jī)管理方面，還包括駕駛員輔助系統(tǒng)和車載信息系統(tǒng)應(yīng)用等新的領(lǐng)域。IEEE最近公布的數(shù)字顯示，汽車電子年增長率為16%，并預(yù)計到2005年在一個中型汽車內(nèi)電子設(shè)備的成本將占到總成本的25%。

            　　車載信息系統(tǒng)顯示出更像消費(fèi)產(chǎn)品的一些特性--上市時間快，在市時間短，標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議不斷變化。這些問題將影響工程師們進(jìn)行設(shè)計和選擇所需硬件以快速創(chuàng)建、重復(fù)和支持未來升級的方法。

            　　現(xiàn)在FPGA技術(shù)可以滿足這些要求。賽靈思承諾將通過其賽靈思汽車(XA)系列產(chǎn)品滿足車載信息系統(tǒng)和汽車信息娛樂應(yīng)用的需求，該系列產(chǎn)品可提供以下特性：

            　　·擴(kuò)展溫度范圍，最高可達(dá)125℃
            　　·全生產(chǎn)性零件核準(zhǔn)程序(PPAP)支持
            　　·行業(yè)公認(rèn)的AEC-Q100器件合格檢驗流程
            　　·遵守世界汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)ISO TS 16949，并采用無鉛封裝以符合RoHS指令
            　　這些器件基于我們的Spartan系列FPGA，特別適用于要求每邏輯單元(系統(tǒng)門)具有低成本、每I/O低成本、以及諸如在單個器件上擁有多種I/O標(biāo)準(zhǔn)和嵌入式乘法器以實(shí)現(xiàn)高速DSP等高級特性的數(shù)字設(shè)計。

            本文小結(jié)
            　　在微軟汽車業(yè)務(wù)部和賽靈思汽車業(yè)務(wù)部等支持者的承諾下，汽車制造商正將關(guān)鍵技術(shù)的融合采用在一個可以幫助實(shí)現(xiàn)以下功能的平臺內(nèi)：
            　　·一種有價值且消費(fèi)得起的車載信息系統(tǒng)解決方案
            　　·通過無線網(wǎng)絡(luò)的可靠連接性
            　　·高質(zhì)量語音識別
            　　·一種面向應(yīng)用開發(fā)者的得到廣泛支持的操作系統(tǒng)
            　　·低成本硬件