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汽车电子FPGA趁势崛起!
汽车仪表、车载信息娱乐、倒车后视到驾驶辅助

【作者: 鍾榮峰】2011年05月11日 星期三

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随着消费者对于汽车的安全、舒适便利和娱乐等应用有着高度需求,加上车载多媒体视讯影像应用日益普及,多样的新技术逐渐进入汽车电子领域,促使汽车电子功能复杂性不断提高,更加重视灵活性、效能整合、缩短开发时程和成本低廉的设计架构。在此关键时刻,FPGA可重新编程的弹性架构,在汽车电子领域越来越受重视。FPGA可编程逻辑组件能超越以往硅芯片设计,即便是在制程之后,系统设计者仍可透过可编程的模式,因应车用电子设计需要的关键IP架构、操作系统和软件内容。



《图一 PLD/FPGA应用比例示意图》
《图一 PLD/FPGA应用比例示意图》

FPGA已成汽车电子常客

在汽车仪表、车载信息娱乐系统(infotainment)、驾驶辅助(driver assistance)、倒车后视等领域,FPGA设计的身影也已经越来越熟悉。正由于汽车逐渐需要复杂高阶的多媒体图形处理能力,藉由高阶处理器和DSP设计,成本、复杂度和功耗都较高,FPGA设计可以透过软件重复编程定义逻辑和I/O模块的功能、以及具备高度可靠性和数字讯号处理和分析能力的特性,满足汽车电子设计多变动弹性的需求。


赛灵思(Xilinx)亚太区营销级应用总监张宇清表示,FPGA产品还能提供通过验证符合规范的车用等级组件,包括众多芯片内建的链接解决方案,搭配各种IP解决方案,同时还提供弹性化的链接接口解决方案。客制化的特定设计平台(Targeted Design Platform),亦可满足车用电子工程师设计多重车用平台的动态应用时对于差异化、创新和弹性化的要求。包括车载信息娱乐、驾驶辅助系统和其他驾驶信息系统,都逐渐以可编程引擎平台的系统级设计和整合架构为核心。


驾驶辅助FPGA逐渐超越ASSP/ASIC

在驾驶辅助系统,高效能图像处理是非常重要的设计关键。汽车驾驶辅助系统涵盖面相当广泛,举凡车道偏离警告系统、盲点侦测、自动巡航控制、自动停车、防撞侦测等,需要整合复杂的系统输入驱动功能。例如红外线和雷达转换器以及摄影镜头,都需要强大的实时数字讯号处理效能,便进行元素分析,进一步驱动通讯、控制系统和显示等处理应用。


汽车驾驶辅助系统的嵌入式处理架构,要能够突破既有讯号处理效能延迟的限制,兼顾复杂的系统接口输出入讯息,并且取代多芯片建置在成本、功耗和尺寸上的弱点,同时提高嵌入式设计的灵活性。


《图二 赛灵思(Xilinx)亚太区营销级应用总监张宇清》
《图二 赛灵思(Xilinx)亚太区营销级应用总监张宇清》

不同于一般串行处理器必须为各种功能提供时间多任务资源,FPGA能分头执行各模块的处理工作以及执行频率处理作业。此外,若必须修改处理架构,FPGA能重新编程硬件模块,这方面的弹性超越了采用特定应用标准产品(ASSP)与特定用途集成电路(ASIC)的方案,在因应未来先进的算法环境中更具有设计优势。


可编程逻辑FPGA设计架构,具有可扩充性、并行处理能力、软硬件设计的弹性化和客制化能力,可因应各种讯号处理。具有可扩充性的FPGA设计架构,才能嵌入于不同整车车款系统中。因此FPGA不仅开始在嵌入式处理市场攻城略地,也开始受到汽车电子厂商的瞩目。


车用多媒体重弹性 FPGA支持前线

在车用信息娱乐领域,FPGA早已被业者持续运用在多个世代的信息娱乐架构平台上,并扮演支持(或辅助)角色来协助主处理器或芯片组。客户不仅可把组件链接到内含FPGA的架构中,还能利用FPGA作为更趋近于核心角色的组件,因为FPGA能持续提升必要的弹性,并提高其基础架构的扩充性。在这个领域,FPGA已经被视为可增加处理架构扩充性和弹性的核心要素。


张宇清表示,针对车用多媒体设计,FPGA解决方案内的整合式内存核心,攸关车用高效能绘图系统效能,内存传输速率要有效提升。再者,串行收发器等高速输出入接口设计,可强化诸如APIX(Automotive Pixel Link)等车用等级遥控数字影像显示链接规格的整合度。此外,为了因应密集运算处理的需求,FPGA架构要能提供优化乘积累加MAC运算器(multiply and accumulate)和先行加法器,来支持影像实时处理、实现高速并行传输效能的车用多媒体应用。


张宇清进一步举例指出,特定设计平台可协助车用电子设计商架构FPGA系统,例如驾驶辅助系统的全景环绕影像功能,特定设计平台亦可处理例如4镜头环绕影像的多重并行输入视讯,或者后视停车影像和盲点侦测等解耦合平行处理系统。不同的应用能够被编程设计于同一装置当中,例如为了支持盲点侦测运作和转传功能,特定设计平台和开发工具板就会针对视讯镜头、传感器和其他车电组件,重新规划各类工作,工程师可藉此整合并行处理所需要的平台关键零组件。


倒车影像FPGA可当家大展身手

另一方面,倒车影像装置也成为FPGA处理架构大展身手的应用。以往倒车影像装置多采用MCU和ARM作为主控制器,影像数据数据传送到显示屏幕,往往会产生延迟的问题。而除了显示之外,现在的倒车影像装置更要进一步支持各种线条、字符符号、画图等动画显示功能,并兼顾高安全性和可靠性的车规规范。


针对倒车后视功能,Microsemi(前Actel)提出采用FPGA作为主控制器、整合MCU讯息的处理架构,可将系统频率提高到100MHz,平行处理能力也提高倒车影像的显示效能和实时性,并支持车身前后左右影像切换的应用效果。支持倒车录像的两块FPGA架构,其一是将影像实时显示到屏幕上,其二是接收MCU命令呈现包括多图层、2D加速、绘图处理等显示效果。


汽车仪表革新浪潮起 FPGA趁势崛起

另一方面,驾驶和前座乘客对于车载信息通讯的需求日益殷切,因此汽车产业传统的机械仪表板设计,正在历经一场巨变与革新。在仪表板应用方面,具备可编程能力的FPGA超越了其他类型组件,为车厂主管提供许多方法,协助车厂限制自己必须研发与维护的平台架构数量,并藉由产品架构的高弹性,针对日趋分众化的OEM厂商需求与策略进行调整。


在驾驶混合信息仪表板结合抬头显示功能部份,张宇清表示,藉由赛灵思开发出来的特定设计平台,充分利用高带宽内存、高速I/O传输、以及FPGA弹性化架构的特性,进一步支持车内多重显示屏幕所需的高质量图形处理能力。以特定设计平台为基础的开发工具板,可提供车用信息娱乐和驾驶信息应用设计所需的各类功能。例如针对抬头显示器的FPGA架构,可提供当影像投射在挡风玻璃时影像变形校正(image distortion correction)的设计功能,除此之外开发工具板还可支持步进马达传动控制(stepper motor gauge control)、双显示屏幕和后视影像镜头输入等设计。


值得注意的是,FPGA架构都强调开启电源就能运作的特性,这会有助于汽车电子运作的实时启动、以及处理器唤醒紧急事件加以执行的能力。例如在支持车载资信息系统(Telematics)的短距数据传输应用,FPGA架构就要能满足高速行车数据传输准确到位的需求。因此,采用SRAM FPGA或是Flash FPGA的内存控制设计,可能会对汽车电子数据传输产生不同的影响。


行车安全严格认证 FPGA符合标准

尽管FPGA开始在汽车电子领域展现实力,不过FPGA仍是扮演汽车电子前端开发样品功能雏型的角色,现阶段主要处理控制架构仍是以MCU设计为主。FPGA在汽车电子应用的可能性,美商国家仪器(NI)营销部技术工程师柯璟铭认为,弹性化和简化功能设计是FPGA的强项,单板式设计架构也将逐渐朝向芯片等级设计时间。中科院飞弹火箭研究所射导机电组张国梁则指出,在车厂严格验证的流程下,芯片设计开发商必须将软件程序开放给车厂进行测试作业,程序的复杂度也让多任务的程序语言架构逐渐成为主流,因此必须有一套模块化操作系统加以支撑。而强调逻辑化的FPGA工具,若要处理复杂的多任务软件设计,速度效率可能会受到影响。16位和32位的单芯片架构,看起来似乎还比较得心应手,不过在设计成本仍较为昂贵。


《图三 左为中科院飞弹火箭研究所射导机电组张国梁工程师,右为美商国家仪器营销部技术工程师柯璟铭》
《图三 左为中科院飞弹火箭研究所射导机电组张国梁工程师,右为美商国家仪器营销部技术工程师柯璟铭》

值得注意的是,张国梁进一步强调,在讲求行车安全功能严格认证的国际规范ISO 26262标准当中,FPGA已被视为是符合标准的软硬件设计流程,程序语言需要经过相关验证合格才行,例如不能用C++写,只能用C语言设计。因此FPGA工具已逐渐成功渗透到严格的车规认证标准。不过有些更为讲究讯号处理效能的汽车电子产品,仍是FPGA无法介入的领域,例如电子车身稳定系统(Electronic Stability Control;ESC)或是ACC自适应巡航控制系统等等。


目前业界面临的挑战,主要是汽车OEM厂商以各种新方法开发差异化产品,尽量避免不同车款必须采用更多硬件设计。若想要避免车款增加导致研发成本提高,其中一种方法就是从传统微控制器改成运用软件并搭配合适硬件,这类硬件能针对特定改款产品进行优化与修改,并延续使用同一个平台设计或产品架构。新推出的低价位可编程弹性FPGA组件,已快速成为业界达成此一目标的利器。


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