基于FPGA器件在汽車輔助駕駛系統(tǒng)中的作用及實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

FPGA(Field Programmable Gate Array)作為一種可編程的邏輯芯片，近年來在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸增多。FPGA的運(yùn)算速度快，功耗低，可靠性高，十分適合在自動(dòng)駕駛中處理大數(shù)據(jù)、完成實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制邏輯。本篇文章將從工程師的角度，結(jié)合實(shí)際案例，討論FPGA在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用技術(shù)。

一、FPGA在自動(dòng)駕駛中的基本應(yīng)用

FPGA在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用相對來說還是比較基礎(chǔ)的，主要分為以下幾個(gè)方面：

1、圖像處理

自動(dòng)駕駛中需要通過攝像頭獲取、識(shí)別道路相關(guān)信息和行駛環(huán)境，這就需要大量的圖像處理。FPGA在處理圖像上的運(yùn)算速度快，可并行性強(qiáng)，且功耗低，相較于其他芯片，F(xiàn)PGA更為適合于圖像處理的應(yīng)用。絕大多數(shù)的圖像處理算法(如車道線/交通標(biāo)志識(shí)別)都可以通過在FPGA上實(shí)現(xiàn)高效的圖像算法來實(shí)現(xiàn)。

2、傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理

自動(dòng)駕駛汽車中通常會(huì)使用多種傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭、GPS等。在各種傳感器的數(shù)據(jù)處理中，F(xiàn)PGA能夠協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳輸，處理和預(yù)處理，以使實(shí)時(shí)計(jì)算和反饋成為可能。

3、控制系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛汽車的控制系統(tǒng)是復(fù)雜的，它需要實(shí)現(xiàn)對車速、轉(zhuǎn)向和剎車等多種信息的實(shí)時(shí)控。FPGA可以提供高速的控制邏輯，并通過實(shí)現(xiàn)控制算法來增加安全性。

二、案例分析

下面，我們通過以國內(nèi)某個(gè)自動(dòng)豪華車型的FPGA應(yīng)用實(shí)例，具體討論FPGA在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用技術(shù)。

國內(nèi)某自動(dòng)豪華車型的FPGA應(yīng)用

該自動(dòng)車型總共集成了3塊FPGA，覆蓋了傳感器數(shù)據(jù)處理，視覺算法加速，車控算法優(yōu)化等3個(gè)主要領(lǐng)域。

1、傳感器數(shù)據(jù)處理

該車型配備了4個(gè)激光雷達(dá)、10個(gè)紅外線傳感器、5個(gè)環(huán)景攝像頭和前后相機(jī)，其中激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)需要快速收集和處理，以在分鐘內(nèi)判斷行車環(huán)境。

FPGA通過同時(shí)支持FMC和PCI，實(shí)現(xiàn)了FPGA和ARM的高速數(shù)據(jù)交互。激光雷達(dá)的信號(hào)通過FPGA解算，可以直接反饋到車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2、視覺算法加速

在自動(dòng)車中，視覺算法是處理的重點(diǎn)，機(jī)器視覺算法需要在最短時(shí)間內(nèi)完成對行車路況、交通標(biāo)志和行人等判斷，并給出相應(yīng)的反應(yīng)和措施。這就需要數(shù)百萬像素的攝像頭快速收集數(shù)據(jù)，然后通過FPGA進(jìn)行高速處理和轉(zhuǎn)化。FPGA利用自身并行處理和高速存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，能夠極大地加快算法的執(zhí)行速度，提高運(yùn)算效率。在這個(gè)車型中，F(xiàn)PGA通過高速AD采集片和HDMI轉(zhuǎn)化芯片與攝像頭通信，并通過ASIC標(biāo)準(zhǔn)視頻處理中的眾多緩存、運(yùn)算模塊等等來進(jìn)行圖像分類和處理(例如HOG特征提取、直方圖均衡、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)，從而實(shí)現(xiàn)對行車路況的識(shí)別。

3、車控算法優(yōu)化

車輛控制系統(tǒng)需要時(shí)刻感知各種環(huán)境和車況信息，并根據(jù)各種業(yè)務(wù)需求進(jìn)行速度、角度、力矩等方案計(jì)算，這些計(jì)算需要極短的響應(yīng)時(shí)間來保證行車安全。

在這樣的情況下，F(xiàn)PGA可以充分發(fā)揮其處理速度和可編程性，實(shí)現(xiàn)精度、實(shí)時(shí)性和可靠性的控制算法，大大提高了車輛控制系統(tǒng)的性能。

FPGA在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用領(lǐng)域不僅局限于此，還包括了自動(dòng)泊車、自動(dòng)剎車、防碰撞、自動(dòng)駕駛拐彎等許多領(lǐng)域，F(xiàn)PGA的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

經(jīng)過本篇文章的介紹，我們可以看到，F(xiàn)PGA在自動(dòng)駕駛中正在扮演一個(gè)至關(guān)重要的角色，它的高可編程性、高性能、低功耗、低延遲等特點(diǎn)，為自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的支持。

相對于其他處理器，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢我們可以用以下幾個(gè)方面概括：

1、高性能，強(qiáng)并行性;

2、低功耗，高效處理，復(fù)雜算法得以快速實(shí)現(xiàn);

3、內(nèi)部配置靈活，可快速實(shí)現(xiàn)定制化的高性能算法

4、強(qiáng)韌性，長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定。

所以說，未來FPGA將會(huì)是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的重要一環(huán)，并將推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展。

FPGA可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理和控制算法。例如,用于ADAS(高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng))的圖像處理,雷達(dá)信號(hào)處理,汽車定位和導(dǎo)航等。這些算法通常需要高性能的計(jì)算資源和自定義的運(yùn)算單元,FPGA可以很好地滿足這些要求。

FPGA可以實(shí)現(xiàn)硬件加速和重構(gòu)。許多汽車電子系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù),如電機(jī)控制,電池管理系統(tǒng),都需要高性能的實(shí)時(shí)控制,FPGA可以通過硬件實(shí)現(xiàn)來提高系統(tǒng)性能,降低延遲。

FPGA具有可重構(gòu)性,可以在不改變芯片的情況下更新功能和修復(fù)錯(cuò)誤。這在需要長期維護(hù)和升級(jí)的汽車電子系統(tǒng)中尤為重要。

使用FPGA可以降低系統(tǒng)成本和功耗。由于FPGA可以在硬件級(jí)別實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì),相比通用處理器,它能夠提供更高的性能功耗比,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的成本和功耗優(yōu)化。

FPGA可以實(shí)現(xiàn)功能安全和冗余機(jī)制來提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。這也是新一代智能汽車對電子系統(tǒng)的重要要求。

全球汽車業(yè)正在步入以智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、共享化為代表的“新四化”時(shí)代。IHS Markit的數(shù)據(jù)顯示，到2023年，汽車電子系統(tǒng)總額將高達(dá)1800億美元，平均每輛汽車會(huì)使用500美元以上的半導(dǎo)體器件，增幅最大的應(yīng)用分別來自高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和車載娛樂信息系統(tǒng)。

新變化帶來新要求

目前汽車行業(yè)的技術(shù)和架構(gòu)都正在經(jīng)歷一個(gè)快速演變的過程，這一現(xiàn)象背后很重要的推手之一，就在于整車廠越來越意識(shí)到來自不同tier 1廠商的ECU之間彼此缺乏關(guān)聯(lián)，他們不得不投入大量時(shí)間和資金加以整合，使得整合ECU成為一件“極為辛苦的工作”。但網(wǎng)聯(lián)汽車和自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展正在改變這一現(xiàn)狀——在今后的設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的分布式方案將被集成式方案取代，包括ECU、傳感器在內(nèi)的硬件會(huì)得到高度整合;汽車OEM會(huì)更關(guān)注客戶在接口軟件層面上的創(chuàng)新，以及為終端客戶提供差異化產(chǎn)品的能力。

在智能座艙領(lǐng)域，以特斯拉為代表的造車新勢力正通過將儀表板、信息娛樂系統(tǒng)和屏幕顯示進(jìn)行高度集成，使得一塊屏幕上需要展示的內(nèi)容日趨豐富，加之不同品牌車型間的顯示器尺寸并不統(tǒng)一，從而對圖像的分區(qū)切割顯示和多元化融合提出了較高要求。但這對低功耗FPGA產(chǎn)品而言并非難事，很多車廠目前都在利用其可編程、并行處理能力強(qiáng)、功耗低、散熱少的特點(diǎn)，加速引入相關(guān)FPGA平臺(tái)。

同時(shí)，隨著車載顯示大屏化、多屏化、高清化和多形態(tài)化趨勢日趨明顯。很多新車搭載的屏幕數(shù)量均突破了2塊，部分車型甚至達(dá)到了4-5塊。隨著車內(nèi)顯示屏數(shù)量和尺寸的增加，人們對顯示質(zhì)量提出了新的要求，希望能夠獲得更高的色域，更高的對比度等等。特別是為了緩解里程焦慮，如何提升大尺寸屏幕效率，使之更省電，會(huì)是未來幾年行業(yè)面臨的共同課題。

車載視覺系統(tǒng)和人工智能技術(shù)現(xiàn)在也被大量應(yīng)用于駕駛員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(DMS)、車艙內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)(IMS)中，包括：監(jiān)測駕駛員的疲勞、注意力渙散或損傷;監(jiān)控乘客，確保兒童/寵物不會(huì)被無意中鎖在車內(nèi)，或是包、手機(jī)和錢包等物品不會(huì)無意中遺忘在車內(nèi)。

因此，ISP圖像增強(qiáng)會(huì)是極具前景的應(yīng)用之一。例如，對目前在汽車中大量使用的LCD屏幕，F(xiàn)PGA可以作定制的背光優(yōu)化，以提升視覺效果和節(jié)約能耗。同時(shí)，為了支持車載4K顯示，F(xiàn)PGA對高速數(shù)據(jù)處理、接口也進(jìn)行了廣泛的支持，包括1.5G-2.5Gbps MIPI、HDMI、DisplayPort等。

而在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用中，最新數(shù)據(jù)顯示，一輛L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛車輛將至少配置16個(gè)以上的各型傳感器，由于主處理器需要連接不同的傳感器接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而且汽車接口也尚未實(shí)現(xiàn)真正標(biāo)準(zhǔn)化，所以利用FPGA的可編程特性對不同傳感器進(jìn)行聚合/橋接，或是實(shí)現(xiàn)I/O接口擴(kuò)展，也是新趨勢之一。同時(shí)，考慮到汽車平臺(tái)的開發(fā)可能需要5-10年的時(shí)間，方案是否具備可拓展性也左右著用戶的選型決心。

另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域來自電動(dòng)汽車，尤其是伴隨著碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體的廣泛使用，傳統(tǒng)DSP甚至多核DSP控制的精度越來越難以滿足汽車行業(yè)對驅(qū)動(dòng)控制的時(shí)效和正確度要求的提升，而FPGA作為替代方案正在被大量使用。

安全性同樣需要引起高度關(guān)注。越來越多傳感器、自動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)連接的出現(xiàn)，在給汽車帶來智能化、便捷化、舒適化體驗(yàn)的同時(shí)，也讓系統(tǒng)更加容易遭受惡意攻擊。OEM廠商必須要能夠即時(shí)檢測到漏洞并防止網(wǎng)絡(luò)攻擊，還需要電子系統(tǒng)能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境中穩(wěn)定安全運(yùn)行。對半導(dǎo)體器件來說，增加硬件安全引擎，使之能夠在遭到未經(jīng)授權(quán)的訪問時(shí)對固件進(jìn)行保護(hù)、檢測和恢復(fù)，就顯得更為關(guān)鍵。