基于FPGA的汽车电子设计研究

周莹太原大学



基于FPGA的汽车电子设计研究

周莹
太原大学

摘要：随着现代电子技术的飞速发展，汽车电子系统应用越来越广泛且技术日益复杂，传统的ASIC (专用集成电路)、MCU(微控制器)已经很难适应当前汽车电子设计对稳定性、灵活性以及低成本和快速开发的要求，而FPGA能良好的解决上述问题，它将成为未来汽车电子设计的理想选择方案，并具有良好的发展前景。本文结合实际工作经验，从FPGA的特点出发，并就FPGA在汽车电子设计中的应用进行了简要的研究与探讨。

近年来，汽车正逐渐向着智能化、多媒体化和电子化方向发展，越来越多的电子技术正被广泛应用于汽车电子系统中，而汽车的电子化程度也被看作是衡量当前汽车技术水平的重要性标志。然而随着汽车电子系统结构的日益复杂和设备数目的增大，对于采用集成电路设计的电路系统而言则需要重新设计、布线与制版。而FPGA由于其具有的灵活性更高、风险更小、成本更低以及提供更多功能的特点，甚至可对已投人应用的产品进行升级，因此FPGA必然将成为未来汽车电子设计的理想解决方案。

1　FPGA概述

FPGA (Field—Programmable Gate Array)，即为现场可编程门阵列。数字集成电路先后经历了电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同阶段，发展到当前主要有存储器、处理器和逻辑器件这三类电子器件。传统的AS1C作为满足特定的用途而设计的逻辑器件，其主要缺点是设计周期过长、投资大，且设计结束后功能固化，以后的设计改版困难较大。而FPGA是在PAL、CPLD、GAL等可编程器件的基础上进一步发展所得的产物，它也是作为ASIC领域中一种半定制电路而出现的。FPGA既克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，也解决了传统定制电路中的不足，其内部结构包括了内部包括可配置逻辑模块CLB (Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB (Input Output Block)和内部连线(Inter—connect)这三个部分，规模非常庞大，可以替代几十甚至几千块通用Ic芯片，具有集成度高、数字化、多功能、可反复编程、开发周期短、成本低廉以及可进行实时在线检验等特点，因此FPGA在当前被广泛应用于产品生产和原型设计当中。

2　FPGA在汽车电子设计中的应用

2.1基于FPGA的汽车电子设计研究

由于FPGA具有上述多种优势与特点，因此在国内外对FPGA在汽车电子设计方面的研究与应用也日益广泛，例如在车载定位系统、汽车导航系统、语言信号系统、远程信息系统、后座娱乐系统中的图形处理等方面。随着当前汽车技术的不断发展，FPGA在汽车电子设计中的应用，不仅能够快速实现这些高度集成和不断变化的系统，而且能加速将产品推向市场，为汽车生产带来所需的灵活性。而且随着汽车车内空间的日益宝贵，可编程逻辑能在小型单芯片方案上集成许多不同功能的特点也显得更具吸引力。

2.2基于FPGA的GPS+GSM双重车载定位系统设计

GPS+GSM双重车载定位系统中充分利用了FPGA的强大逻辑控制能力，以及Nios II处理器的多可配置标准的外设接口功能，并将GPS与GSM功能模块相结合所设计的双重定位系统。该系统在一般情况下采用GPS实现定位，而在特殊情况时可将GSM网络定位功能开通从而实现双重定位，同时通过GSM网络传输和接收来自监控中心的信息，实现监控与实时定位等多种功能。

该系统软件设计主要实现定位信息的采集以及定位终端和监控中心之间的数据通信，包括了主程序、GPS信息处理程序、GSM信息处理程序以及显示程序，其中主程序主要完成系统定位信息处理、自检、人机交互操作和初始化等功能。该系统的硬件主要有外部存储器、LCD、控制模块、GPS模块、GSM模块与1 个FPGA芯片所构成，其中FPGA芯片主要可实现各类接口驱动、软核处理以及存储器等多种功能，并包括了NiosⅡ处理器系统与外设装置这两个部分。

2.3基于FPGA的SINS／GPS组合导航系统设计

该系统区别于传统导航系统的特征是，在保证导航定位性能的同时，还极大的减小了系统的重量、功耗、体积和成本，适应了当前汽车导航系统的微型化发展方向，且综合后的导航精度要高于两个系统单独工作的精度。

该系统在硬件设计上选择NiosⅡ软核处理器，并选择在一片FPGA上添加两个软核处理器，通过将双核处理器、外设装置、存储器和I／0接口集成到一个单一的FPGA当中，从而有效降低了系统的功耗与成本，减少了体积。该系统软件设计主要包括了两个部分，即对嵌入式实时操作系统和惯性导航系统程序的设计，其中惯性导航系统程序主要用以验证双核导航处理器是否能满足系统的需要。

2.4基于FPGA的车用语音信号处理

随着当前在车辆中语音识别技术的应用越来越广泛，对其实时性要求也不断提高，专用的DSP语音芯片虽然有硬件加速功能，但由于其指令仍然采用的是串行技术，在实时性方面仍有所欠缺。而具有并行运算能力的FPGA主频的不断提高，再加上其功耗低、体积小和设计灵活的特点，可以充分满足当前车用语音信号在实时处理上的要求。

该系统硬件结构主要有能量计算、语音信号滤波、分帧、加窗等功能模块所构成，语音信号经过模数转换后进人FPGA，再对其进行滤波。该系统软件设计主要包括了仿真测试模型，通过引入HIL模块实现建模和仿真测试。

3　小结

基于FPGA的汽车电子设计，不仅实现了汽车电子的多模块集中控制，增强了汽车电子设计的灵活性，缩短了开发周期和降低了成本，而且有效提升了汽车系统的维护性与稳定性，并方便系统后续的升级改造，因此FPGA在未来汽车电子设计中必然将会应用愈加广泛，并成为汽车电子设计的主要解决方案。

关键字：FPGA 汽车电子设计研究