安全性是汽車消費(fèi)者最關(guān)心的問題了。圖1給出了Visteon進(jìn)行的一項研究結(jié)果，圖中顯示出客戶對汽車的要求，而車輛安全性位于核心。對于汽車安全性的關(guān)注不僅僅是為了司機(jī)和乘客，還有道路上的其他人。安全設(shè)備已經(jīng)從物理領(lǐng)域轉(zhuǎn)向電子領(lǐng)域，從輪胎和剎車技術(shù)的進(jìn)步，到側(cè)撞保護(hù)和安全氣囊，直到今天的輔助駕駛系統(tǒng)。最新的汽車采用了大量的電子技術(shù)和傳感器，不斷監(jiān)測和評估周圍的環(huán)境、為司機(jī)顯示相關(guān)信息，并且在某些情況下，甚至接管車輛的控制。在提高汽車安全性、舒適性和駕駛效率方面，這些電子系統(tǒng)起著重要的作用。
---輔助駕駛系統(tǒng)可提供基本的安全功能，如增加紅外（IR）相機(jī)來提高觀察能力。更為先進(jìn)的設(shè)計還可利用范圍廣泛的傳感器來提醒潛在的危險情況，從而使車輛可意識到周圍的交通情況、車道和行駛方向以及可能的碰撞目標(biāo)。最終的目標(biāo)是車輛能夠自動對這種信息做出反應(yīng)，為司機(jī)提供信息以及特殊情況下的車輛控制能力，從而可保證乘客的安全。例如，有些最新的卡車中安裝了視頻攝像機(jī)來監(jiān)視前面的道路情況。如果車輛在沒有使用指示燈的情況下改變行駛路徑，比如可能是由于司機(jī)太疲勞了，那么系統(tǒng)就會通過車內(nèi)的揚(yáng)聲器給出聲音告警。
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---通過消除繁瑣的駕駛動作，輔助駕駛還可提供更高的舒適水平。例如，傳統(tǒng)的巡航控制允許司機(jī)設(shè)定一個固定的行駛速度，同時在需要時可手動控制。而現(xiàn)在的汽車則提供自動巡航控制（ACC）功能，可以自動控制油門和剎車來適應(yīng)前面車輛的速度，從而與其保持安全距離。如果前面的車輛加速開走或改變行駛路徑，ACC會自動返回傳統(tǒng)巡航控制的預(yù)設(shè)速度。
---輔助駕駛系統(tǒng)還有希望利用所謂的“電子牽引裝置”來提高交通效率。例如，車隊的領(lǐng)頭卡車由司機(jī)手動駕駛，但后隨的卡車則自動駕駛。除了減輕司機(jī)的許多負(fù)擔(dān)以外，卡車間的距離也可大大縮短，因為電子響應(yīng)速度更為迅速。這樣不僅可節(jié)約完整的道路面積空間，而且由于前面車輛的后向氣流的影響，還要節(jié)約燃料。
---另一種新興的安全技術(shù)稱為“被動式乘員識別系統(tǒng)”。美國政府要求從2006年開始的所有新款汽車都必須能夠根據(jù)乘員的體型來打開氣囊。此類系統(tǒng)使得保護(hù)氣囊能夠“智能”打開或收縮。這種基于乘員體重的系統(tǒng)將可幫助汽車制造商滿足最近公布的《美國聯(lián)邦車輛標(biāo)準(zhǔn)安全法規(guī)》FMVSS-208的要求。該法規(guī)要求氣囊必須能夠針對不同乘員的體重更為有效地打開。從2004年開始，每家汽車制造商在美國銷售的車輛中有35%必須裝備先進(jìn)的氣囊系統(tǒng)，這一數(shù)字到2006年將提高到接近100%。較為簡單的系統(tǒng)采用安裝在乘員座墊下的體重傳感器技術(shù)來實現(xiàn)。高級乘員識別算法和快速信號處理使汽車氣囊控制器可根據(jù)不同的情況來打開或收縮乘員氣囊，從而可大大提高乘員安全性并降低修理成本。更為高級的系統(tǒng)則采用安裝在車內(nèi)的相機(jī)來檢測和識別乘員，同時在算法上考慮到乘員調(diào)試及離氣囊的距離來判斷事故發(fā)生時氣囊打開的時間、速度和程度。
Xilinx FPGA在輔助駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用
---圖2給出了賽靈思現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）應(yīng)用于ACC輔助駕駛系統(tǒng)的一個概念性框圖。
---系統(tǒng)劃分為超高速輸入處理和相對低速的傳感器輸入和輸出控制信息，每個部分都在相應(yīng)處理器（例如，一個Xilinx MicroBlaze 32嵌入式軟內(nèi)核處理器或者Virtex-II Pro FPGA中嵌入的IBM PowerPC）的控制之下。高速部分專用于對安裝在車輛前面的視頻攝像信息進(jìn)行實時處理。由于應(yīng)用（防碰撞、緊急處理和告警）本身的特點，實時處理絕對是非常關(guān)鍵的。通常需要兩個或更多相機(jī)來獲得立體圖像，這樣就可以在FPGA中計算出圖像的深度（直接與前面物體的實際距離相關(guān)）。結(jié)合雷達(dá)和激光測量，以及來自陀螺儀和車輪傳感器的運(yùn)動檢測信息，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計算出車輛周圍的情況和行駛路線。利用完全靈活的FPGA來代替成品視頻組件，設(shè)備制造商可容易地開發(fā)出區(qū)別于競爭廠商系統(tǒng)性能的、獨特的、優(yōu)化的邊緣檢測、圖像深度和增強(qiáng)算法。實時捕捉并處理這些信息需要使用計算密集的數(shù)字信號處理（DSP）算法。然而，軟件處理無法滿足性能要求；盡管傳統(tǒng)DSP處理器也是一種選擇，但通常需要多片器件才能完成如此高速的任務(wù)。甚至ASSP視頻處理器也無法與Xilinx FPGA（也稱為XtremeDSP處理）的極高速DSP性能相比。在視頻處理完以后，決策樹機(jī)制可以劃分為針對緊急算法（如緊急的防碰撞過程）的硬件部分，以及用于行駛路徑偏差等的聲音告警的處理器軟件部分。將速度關(guān)鍵的處理過程劃分到FPGA硬件中還可以對實時速度進(jìn)行測試，而這對于軟件是不可能的。
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XtremeDSP 實時圖像處理
---那么為什么Xilinx FPGA能夠提供比傳統(tǒng)DSP更快的視頻處理性能呢？最根本的原因是由于FPGA結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理。來自Xilinx的最新Virtex-Pro系列器件還集成有嵌入式高性能乘法器模塊陣列，可以進(jìn)一步提高圖像處理的能力。與此相對比，DSP處理器順序執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)，并且以串行方式處理他們。因此FPGA可配置為能夠并行執(zhí)行多個操作（在單個時鐘周期內(nèi)）的乘法累加（MAC）單元陣列，而不是像傳統(tǒng)的DSP中那樣需要多個時鐘周期才能在一個或少量MAC單元中執(zhí)行完畢。
---Xilinx FPGA還具有可利用準(zhǔn)確的MAC陣列來滿足計算要求的額外優(yōu)點。這些特性對于完成圖像計算非常理想。這樣就可對圖像中的多個像素簇（如離散余弦變換（DCT）的宏塊）進(jìn)行并行計算，而不必依序掃描整個圖像。FPGA性能的提高還帶來更多額外好處，例如，緩沖像素值所需要的存儲器數(shù)量可更小，因為現(xiàn)在可實時處理。
---除了實時性能以外，Xilinx FPGA的可重編程能力還提供了優(yōu)異的系統(tǒng)靈活性，支持算法升級（即使在部署以后）。這一點非常重要，因為目前的輔助駕駛系統(tǒng)仍然處于早期研發(fā)階段。隨著邊沿和目標(biāo)檢測算法的不斷改進(jìn)，可在數(shù)分鐘中內(nèi)完成硬件升級，而且不需要重新設(shè)計電路板。
利用可編程外設(shè)橋接汽車網(wǎng)絡(luò)
---隨著汽車中演化出真正小型網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備制造商必須確定在眾多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中哪種標(biāo)準(zhǔn)將是最成功的，或者哪些標(biāo)準(zhǔn)能夠為自己帶來最大的好處。不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被用來滿足汽車中的不同需要，從駕駛艙內(nèi)的多媒體范圍（面向多媒體的系統(tǒng)傳輸，MOST）直到汽車控制網(wǎng)絡(luò)（如FlexRay）。圖2中選擇了一種預(yù)驗證的控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）接口內(nèi)核作為例子。
---可應(yīng)用于車內(nèi)的一種此類新興網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是藍(lán)牙。藍(lán)牙無線技術(shù)是一種用于移動設(shè)備和WAN/LAN接入點的低成本、低功耗的短距離射頻技術(shù)。這種源于計算和電信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)描述了手機(jī)、計算機(jī)和PDA等設(shè)備之間如何利用一種短距離無線連接實現(xiàn)方便的互連。
---例如，駕駛員可以利用藍(lán)牙無繩耳機(jī)與口袋中的手機(jī)通信。因此可避免司機(jī)分心并提高了安全性。汽車工業(yè)成立了一個特殊興趣組（SIG）來定義藍(lán)牙汽車標(biāo)準(zhǔn)。該特殊興趣組的成員包括汽車多媒體接口協(xié)作組織(AMIC)、寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、福特、通用汽車、豐田汽車以及大眾汽車有限公司等。藍(lán)牙在汽車中應(yīng)用的一個例子Johnson Controls公司的免提手機(jī)系統(tǒng)“BlueConnect”，該系統(tǒng)允許司機(jī)在雙手扶住方向盤的情況下通過支持藍(lán)牙功能的手機(jī)保持聯(lián)系。
---然而，藍(lán)牙器件的長期支持還存在問題，同時車內(nèi)環(huán)境噪聲對于藍(lán)牙設(shè)備工作的影響也需要認(rèn)真考慮。轎車和其他車輛的壽命要比消費(fèi)類產(chǎn)品或手機(jī)長得多，因此芯片制造商必須解決由此而帶來的支持和服務(wù)生命期不匹配的問題。然而，最近在底特律舉辦的Convergence 2002展會上，克萊斯勒集團(tuán)展出了應(yīng)用了藍(lán)牙技術(shù)的汽車。
---與采用ASSP相比，采用FPGA的最大好處之一是允許工程師設(shè)計出精確匹配系統(tǒng)要求的接口和外設(shè)。在開發(fā)的早期階段試圖連接到不同的汽車網(wǎng)絡(luò)時，這一點特別有用。當(dāng)試圖快速將產(chǎn)品推向市場時，芯片組或ASIC重新設(shè)計即成本昂貴又耗費(fèi)時間。在標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的早期，如果網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)格有所變化，為了支持最新的版本，在使用FPGA的設(shè)計時只需要簡單地修改軟件，然后再重新下載FPGA硬件配置就可以了。甚至還要以利用Xilinx IRL（因特網(wǎng)可重配置邏輯）通過廣域網(wǎng)來完成這一點，因此不需要成本高昂的派工費(fèi)用或額外的人力就可以通過遠(yuǎn)程維護(hù)完成硬件修改。
針對汽車應(yīng)用的Xilinx IQ解決方案
---為滿足汽車電子設(shè)備設(shè)計人員的需要，賽靈思（Xilinx）公司推出了一系列支持?jǐn)U展工業(yè)溫度范圍的新器件。稱為“IQ”范圍的這些新器件包括Xilinx目前符合擴(kuò)展溫度級（Q）要求的現(xiàn)有工業(yè)級（I）FPGA和CPLD（表1）。符合新的IQ溫度范圍要求的第一批器件是密度范圍從5K門至3K門的Spartan-XL 3.3V FPGA，以及36和72宏單元的XC9500XL 3.3V CPLD。在未來的幾個月時間里，IQ溫度范圍器件將會擴(kuò)展包括密度高達(dá)30萬門的FPGA器件，以及密度高達(dá)512個宏單元的CPLD器件，如表2所示。
結(jié)論
---輔助駕駛系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用需要高性能圖像處理，同時又不希望犧牲在目標(biāo)檢測和汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)的早期階段所需要的靈活性。采用Xilinx FPGA作為此類系統(tǒng)的核心為業(yè)界提供了最佳的DSP性能和無與倫比的網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)支持能力，同時為系統(tǒng)設(shè)計師提供了一個完全靈活的設(shè)計平臺。通過可實時工作的此類系統(tǒng)，為駕駛?cè)藛T提供緊急駕駛告警或輔助車輛控制功能就成為可能，從而可大大提高車輛駕駛和乘座的安全性。
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