基于FPGA的汽車電子設(shè)計(jì)

1 引言
    隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向發(fā)展，越來越多的電子技術(shù)應(yīng)用到汽車系統(tǒng)，汽車電子化的程度是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，是開發(fā)新車型、改進(jìn)汽車性能最重要的技術(shù)措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前汽車上的電子裝置成本占整車成本的約30％，在一些高檔轎車上達(dá)到60％，而且汽車中約70％的創(chuàng)新來源于汽車電子技術(shù)。以前，汽車工程師一直依賴MCU(微控制器)和ASIC(專用集成電路)產(chǎn)品設(shè)計(jì)汽車電子系統(tǒng)，但隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，部件數(shù)目越來越多，產(chǎn)品快速推向市場的壓力變大，性能的要求逐漸提高，同時(shí)，價(jià)格要合理，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)要低，這些是 MCU和ASIC所難以實(shí)現(xiàn)的。而FPGA能提供更高的性能和更多的功能，成本更低、風(fēng)險(xiǎn)更小、靈活性更高，而且在設(shè)計(jì)后期更易變更，甚至可對己經(jīng)投入應(yīng)用的產(chǎn)品進(jìn)行升級，因此FPGA將成為未來汽車電子設(shè)計(jì)的理想解決方案。

2 FPGA簡介
    現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray)，是PAL、GAL、CPLD等可編程器件發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路。其內(nèi)部由可配置邏輯模塊CLB (Configurable Logic Block)、輸入輸出模塊IOB(Input Outout Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)3部分構(gòu)成，具有小型化、低功耗、多功能、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、集成度高、保密性好、可無限次反復(fù)編程、并有現(xiàn)場模擬調(diào)試驗(yàn)證的特點(diǎn)。Altera和Xilinx采用RAM工藝生產(chǎn)一般用途FPGA；Actel則基于反熔絲工藝和Flash工藝提供非易失性FPGA。

3 FPGA在汽車電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
    基于FPGA這些特點(diǎn)，國內(nèi)外對其在汽車電子設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用研究也越來越多。國外某公司已開始在其引擎控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入FPGA器件。而國內(nèi)也出現(xiàn)了不少基于FPGA的汽車電子設(shè)計(jì)，例如基于FPGA的ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，汽車電子后視鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于Nios II的CAN總線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于GSM／GPS的汽車防盜系統(tǒng)和基于SoPC的汽車儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。FPGA的并行處理方式具有很高的處理速度，廣泛應(yīng)用于汽車音視頻處理。隨著汽車的信息娛樂系統(tǒng)功能越來越多，例如GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，影音視頻播放功能，倒車影像系統(tǒng)，車載電視功能，F(xiàn)M收音機(jī)，MP3播放功能等，這就要求系統(tǒng)具有較高的音頻和圖形處理能力，需大量計(jì)算并通過高端處理器和DSP實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)成本、復(fù)雜度和功耗都很高。汽車語音處理模塊主要涉及到語音的數(shù)字化處理、語音編解碼、語音壓縮和語音識別等技術(shù)。特別是語音識別系統(tǒng)要實(shí)時(shí)處理和采樣聲音，但采用上述方法實(shí)現(xiàn)成本很高，這對于對成本敏感的汽車行業(yè)并不可取，而FPGA能很好解決這些問題，因?yàn)樗稍谝粋€(gè)時(shí)鐘周期中處理多條指令，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，計(jì)算能力高，能夠完成視頻和音頻的處理任務(wù)。此外，F(xiàn)PGA在車載數(shù)據(jù)采集和對電子控制單元(ECU)的硬件在環(huán)(HIL)仿真等汽車測試方面也有相應(yīng)應(yīng)用。
    其次在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面能體現(xiàn)其高靈活性，高集成度，高性能，開發(fā)周期短的特點(diǎn)。例如采用Ahera的FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過在SoPC Builder中調(diào)用相應(yīng)IP核就可控制SDRAM，F(xiàn)lash等存儲(chǔ)器和多種汽車常用接口，實(shí)現(xiàn)單器件與各個(gè)模塊的硬件電路連接和控制。從而大大提高系統(tǒng)的集成度和開發(fā)效率。此外，由于音、視頻處理要求FPGA具有較高的計(jì)算處理能力，Ahera具有支持多CPU的FPGA器件，即支持多Nios II軟核處理器，從而把音、視頻處理等需高處理速度的模塊從主CPU中分離出來，減輕主CPU的處理負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)約成本。

4 基于FPGA的汽車電子設(shè)計(jì)
4．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)FPGA器件選用Ahera公司的 Cyclone II系列的EP2C35F672C8N，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)密碼鎖和指紋識別、GPS導(dǎo)航、GSM通信、汽車防盜自動(dòng)報(bào)警、倒車影像和車內(nèi)攝像、收音機(jī)、車載電視、USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，除此之外還設(shè)置CAN總線控制器接口，便于后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用可編程的片上系統(tǒng)SoPC(System On Programmable Chip)技術(shù)將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口等模塊集成到一個(gè)可編程器件，構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。用這種方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標(biāo)、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及硬件升級等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。使用Quartus II SoPCBuilder和Nios II IDE 3個(gè)軟件組合完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試。設(shè)計(jì)過程中，對于相對簡單的控制(如密碼鎖模塊)可直接在Quartus II編寫Verilog代碼，仿真優(yōu)化，引腳分配最后生成模塊；對于相對復(fù)雜的模塊控制，在Quartus II中建立工程，然后打開Sopc Builder組建系統(tǒng)，圖1為采用SoPC Builder搭建的硬件系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)組建完畢進(jìn)行地址分配和系統(tǒng)仿真，最后生成系統(tǒng)模塊，然后在Nios II IDE環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)編程完成系統(tǒng)軟件開發(fā)，最后在Quartus II中連線并分配引腳，仿真，測試，編譯生成下載文件，通過JTAG接口下載到FPGA器件，完成系統(tǒng)開發(fā)。

4．2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
4．2．1 密碼鎖和指紋識別
    這兩個(gè)模塊主要用于加強(qiáng)汽車的防盜安全系數(shù)。兩模塊可同時(shí)啟用，也可單獨(dú)啟用，當(dāng)單獨(dú)通過其中之一驗(yàn)證，不能對系統(tǒng)做任何更改，只有兩模塊同時(shí)通過驗(yàn)證才能對此系統(tǒng)設(shè)置。
    密碼鎖模塊采用0～9中的任意6個(gè)數(shù)字作為系統(tǒng)密碼，模塊設(shè)計(jì)原理如圖2所示。此模塊主要包括鍵盤。密碼驗(yàn)證和結(jié)果輸出。其中鍵盤通過在Quartus II環(huán)境下采用Verilog語言編程實(shí)現(xiàn)，其程序由時(shí)鐘分頻、鍵盤掃描和鍵譯碼轉(zhuǎn)換組成。而密碼驗(yàn)證和結(jié)果輸出兩模塊當(dāng)用戶通過鍵盤輸入密碼時(shí)，在 LCD上以“*”顯示密碼以及輸出結(jié)果，完全通過Verilog編程實(shí)現(xiàn)。

    圖3為指紋識別模塊設(shè)計(jì)原理圖。通過指紋采集模塊采集指紋，把數(shù)據(jù)通過串口輸入到FPGA器件進(jìn)行圖像預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成具有一定灰度級的數(shù)字圖像，然后提取特征點(diǎn)。與指紋庫指紋圖像相對比，最后輸出對比結(jié)果。該模塊采用Nios II處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

4．2．2 GPS導(dǎo)航模塊
    構(gòu)建GPS導(dǎo)航系統(tǒng)需GPS天線、接收模塊、存儲(chǔ)器、處理器、相應(yīng)的控制按鍵和地圖LCD顯示設(shè)備。為了提高開發(fā)周期，系統(tǒng)直接采用GARMIN公司的GPS25 OEM開發(fā)板，它與FPGA開發(fā)板的連接電路如圖4所示。

    此GPS模塊經(jīng)MAX232器件轉(zhuǎn)換串口信號電平，然后連接到開發(fā)板的串口，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的搭建。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在NiosIDE環(huán)境下用C編程讀取 GPS信息，提取GPS坐標(biāo)信息并導(dǎo)入到存入存儲(chǔ)器中的地圖軟件，通過LCD控制模塊在LCD中顯示導(dǎo)航圖像。從而實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)。
4．2．3 GSM通信模塊
    系統(tǒng)要求高穩(wěn)定性，高抗干擾性能．故選用西門子TC35i模塊搭建GSM Modem電路(GPRS模塊+SIM卡+電源變換+RS232接口)，如圖5所示。直接將GSM Modem模塊通過串口連接到FPGA，然后通過程序設(shè)計(jì)，通過FPGA開發(fā)板串口發(fā)送AT指令，從而控制GSM模塊。

4．2．4 車載防盜系統(tǒng)
    車載信息裝置安裝有GPS定位設(shè)備和GSM通信設(shè)備，因而可實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛。將GPS從車載信息裝置中分離，與GPRS一起放置于隱蔽之處，配有獨(dú)立電源。發(fā)現(xiàn)汽車被盜后，可通過手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)向GSM模塊發(fā)送短信指令，把GPS模塊確定的汽車實(shí)時(shí)坐標(biāo)和車輛內(nèi)部攝像頭捕獲圖像通過GSM模塊連接的GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶，對于無法接收到GPS信號的地方，則需通過移動(dòng)公司的GSM定位確定汽車大致位置。還可通過給GSM模塊發(fā)送指令，進(jìn)而控制繼電器．進(jìn)而控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，供油系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)等設(shè)備，有利于控制車輛并能及時(shí)找到失盜車輛，減少損失。
4．2．5 其他模塊設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的收音機(jī)模塊采用TEA5768HL器件，車載電視模塊采用飛利浦的視頻電子調(diào)諧器，而CAN總線控制器則采用SJA1000主控器件和AS2C250輔助器件搭建端口。由此可見，只需將GSM、GPS、指紋、攝像頭等模塊通過串口、 USB口等接口連接到由FPGA器件和相應(yīng)外同電路搭建的開發(fā)板，即可完成硬件系統(tǒng)的組建。軟件系統(tǒng)程序利用Altera公司提供的很多外設(shè)控制IP核，設(shè)計(jì)者不必從零編寫所有外設(shè)的控制程序，這樣可提高設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期。

5 結(jié)束語
    FPGA實(shí)現(xiàn)汽車電子的多模塊集中控制，增強(qiáng)汽車電子設(shè)計(jì)的靈活性，縮短開發(fā)周期，降低成本，縮小電子系統(tǒng)在車內(nèi)所占用空間，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易維護(hù)性，方便系統(tǒng)升級。因此在未來汽車電子設(shè)計(jì)中FPGA必將有突出表現(xiàn)。