基于FPGA的汽車電子設計研究

周瑩太原大學

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基于FPGA的汽車電子設計研究

周瑩
太原大學

摘要：隨著現代電子技術的飛速發展，汽車電子系統應用越來越廣泛且技術日益復雜，傳統的ASIC (專用集成電路)、MCU(微控制器)已經很難適應當前汽車電子設計對穩定性、靈活性以及低成本和快速開發的要求，而FPGA能良好的解決上述問題，它將成為未來汽車電子設計的理想選擇方案，并具有良好的發展前景。本文結合實際工作經驗，從FPGA的特點出發，并就FPGA在汽車電子設計中的應用進行了簡要的研究與探討。

近年來，汽車正逐漸向著智能化、多媒體化和電子化方向發展，越來越多的電子技術正被廣泛應用于汽車電子系統中，而汽車的電子化程度也被看作是衡量當前汽車技術水平的重要性標志。然而隨著汽車電子系統結構的日益復雜和設備數目的增大，對于采用集成電路設計的電路系統而言則需要重新設計、布線與制版。而FPGA由于其具有的靈活性更高、風險更小、成本更低以及提供更多功能的特點，甚至可對已投人應用的產品進行升級，因此FPGA必然將成為未來汽車電子設計的理想解決方案。

1　FPGA概述

FPGA (Field—Programmable Gate Array)，即為現場可編程門陣列。數字集成電路先后經歷了電子管、晶體管、小規模集成電路到大規模以及超大規模集成電路等不同階段，發展到當前主要有存儲器、處理器和邏輯器件這三類電子器件。傳統的AS1C作為滿足特定的用途而設計的邏輯器件，其主要缺點是設計周期過長、投資大，且設計結束后功能固化，以后的設計改版困難較大。而FPGA是在PAL、CPLD、GAL等可編程器件的基礎上進一步發展所得的產物，它也是作為ASIC領域中一種半定制電路而出現的。FPGA既克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點，也解決了傳統定制電路中的不足，其內部結構包括了內部包括可配置邏輯模塊CLB (Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB (Input Output Block)和內部連線(Inter—connect)這三個部分，規模非常龐大，可以替代幾十甚至幾千塊通用Ic芯片，具有集成度高、數字化、多功能、可反復編程、開發周期短、成本低廉以及可進行實時在線檢驗等特點，因此FPGA在當前被廣泛應用于產品生產和原型設計當中。

2　FPGA在汽車電子設計中的應用

2.1基于FPGA的汽車電子設計研究

由于FPGA具有上述多種優勢與特點，因此在國內外對FPGA在汽車電子設計方面的研究與應用也日益廣泛，例如在車載定位系統、汽車導航系統、語言信號系統、遠程信息系統、后座娛樂系統中的圖形處理等方面。隨著當前汽車技術的不斷發展，FPGA在汽車電子設計中的應用，不僅能夠快速實現這些高度集成和不斷變化的系統，而且能加速將產品推向市場，為汽車生產帶來所需的靈活性。而且隨著汽車車內空間的日益寶貴，可編程邏輯能在小型單芯片方案上集成許多不同功能的特點也顯得更具吸引力。

2.2基于FPGA的GPS+GSM雙重車載定位系統設計

GPS+GSM雙重車載定位系統中充分利用了FPGA的強大邏輯控制能力，以及Nios II處理器的多可配置標準的外設接口功能，并將GPS與GSM功能模塊相結合所設計的雙重定位系統。該系統在一般情況下采用GPS實現定位，而在特殊情況時可將GSM網絡定位功能開通從而實現雙重定位，同時通過GSM網絡傳輸和接收來自監控中心的信息，實現監控與實時定位等多種功能。

該系統軟件設計主要實現定位信息的采集以及定位終端和監控中心之間的數據通信，包括了主程序、GPS信息處理程序、GSM信息處理程序以及顯示程序，其中主程序主要完成系統定位信息處理、自檢、人機交互操作和初始化等功能。該系統的硬件主要有外部存儲器、LCD、控制模塊、GPS模塊、GSM模塊與1 個FPGA芯片所構成，其中FPGA芯片主要可實現各類接口驅動、軟核處理以及存儲器等多種功能，并包括了NiosⅡ處理器系統與外設裝置這兩個部分。

2.3基于FPGA的SINS／GPS組合導航系統設計

該系統區別于傳統導航系統的特征是，在保證導航定位性能的同時，還極大的減小了系統的重量、功耗、體積和成本，適應了當前汽車導航系統的微型化發展方向，且綜合后的導航精度要高于兩個系統單獨工作的精度。

該系統在硬件設計上選擇NiosⅡ軟核處理器，并選擇在一片FPGA上添加兩個軟核處理器，通過將雙核處理器、外設裝置、存儲器和I／0接口集成到一個單一的FPGA當中，從而有效降低了系統的功耗與成本，減少了體積。該系統軟件設計主要包括了兩個部分，即對嵌入式實時操作系統和慣性導航系統程序的設計，其中慣性導航系統程序主要用以驗證雙核導航處理器是否能滿足系統的需要。

2.4基于FPGA的車用語音信號處理

隨著當前在車輛中語音識別技術的應用越來越廣泛，對其實時性要求也不斷提高，專用的DSP語音芯片雖然有硬件加速功能，但由于其指令仍然采用的是串行技術，在實時性方面仍有所欠缺。而具有并行運算能力的FPGA主頻的不斷提高，再加上其功耗低、體積小和設計靈活的特點，可以充分滿足當前車用語音信號在實時處理上的要求。

該系統硬件結構主要有能量計算、語音信號濾波、分幀、加窗等功能模塊所構成，語音信號經過模數轉換后進人FPGA，再對其進行濾波。該系統軟件設計主要包括了仿真測試模型，通過引入HIL模塊實現建模和仿真測試。

3　小結

基于FPGA的汽車電子設計，不僅實現了汽車電子的多模塊集中控制，增強了汽車電子設計的靈活性，縮短了開發周期和降低了成本，而且有效提升了汽車系統的維護性與穩定性，并方便系統后續的升級改造，因此FPGA在未來汽車電子設計中必然將會應用愈加廣泛，并成為汽車電子設計的主要解決方案。

關鍵字：FPGA 汽車電子設計研究