基于FPGA的汽車電子設計

1 引言
??? 隨著數字技術的進步，汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向發展，越來越多的電子技術應用到汽車系統，汽車電子化的程度是衡量現代汽車水平的重要標志，是開發新車型、改進汽車性能最重要的技術措施。據統計，當前汽車上的電子裝置成本占整車成本的約30％，在一些高檔轎車上達到60％，而且汽車中約70％的創新來源于汽車電子技術。以前，汽車工程師一直依賴MCU(微控制器)和ASIC(專用集成電路)產品設計汽車電子系統，但隨著系統越來越復雜，部件數目越來越多，產品快速推向市場的壓力變大，性能的要求逐漸提高，同時，價格要合理，設計風險要低，這些是 MCU和ASIC所難以實現的。而FPGA能提供更高的性能和更多的功能，成本更低、風險更小、靈活性更高，而且在設計后期更易變更，甚至可對己經投入應用的產品進行升級，因此FPGA將成為未來汽車電子設計的理想解決方案。

2 FPGA簡介
??? 現場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray)，是PAL、GAL、CPLD等可編程器件發展的產物，是專用集成電路領域中的一種半定制電路。其內部由可配置邏輯模塊CLB (Configurable Logic Block)、輸入輸出模塊IOB(Input Outout Block)和內部連線(Interconnect)3部分構成，具有小型化、低功耗、多功能、數字化、標準化、系列化、集成度高、保密性好、可無限次反復編程、并有現場模擬調試驗證的特點。Altera和Xilinx采用RAM工藝生產一般用途FPGA；Actel則基于反熔絲工藝和Flash工藝提供非易失性FPGA。

3 FPGA在汽車電子設計中的應用
??? 基于FPGA這些特點，國內外對其在汽車電子設計方面的應用研究也越來越多。國外某公司已開始在其引擎控制系統設計中引入FPGA器件。而國內也出現了不少基于FPGA的汽車電子設計，例如基于FPGA的ABS系統設計，汽車電子后視鏡系統設計，基于Nios II的CAN總線通信系統設計，基于GSM／GPS的汽車防盜系統和基于SoPC的汽車儀表系統設計等。FPGA的并行處理方式具有很高的處理速度，廣泛應用于汽車音視頻處理。隨著汽車的信息娛樂系統功能越來越多，例如GPS導航系統，影音視頻播放功能，倒車影像系統，車載電視功能，FM收音機，MP3播放功能等，這就要求系統具有較高的音頻和圖形處理能力，需大量計算并通過高端處理器和DSP實現，但系統成本、復雜度和功耗都很高。汽車語音處理模塊主要涉及到語音的數字化處理、語音編解碼、語音壓縮和語音識別等技術。特別是語音識別系統要實時處理和采樣聲音，但采用上述方法實現成本很高，這對于對成本敏感的汽車行業并不可取，而FPGA能很好解決這些問題，因為它可在一個時鐘周期中處理多條指令，實現并行計算，計算能力高，能夠完成視頻和音頻的處理任務。此外，FPGA在車載數據采集和對電子控制單元(ECU)的硬件在環(HIL)仿真等汽車測試方面也有相應應用。

其次在系統設計方面能體現其高靈活性，高集成度，高性能，開發周期短的特點。例如采用Ahera的FPGA設計系統，通過在SoPC Builder中調用相應IP核就可控制SDRAM，Flash等存儲器和多種汽車常用接口，實現單器件與各個模塊的硬件電路連接和控制。從而大大提高系統的集成度和開發效率。此外，由于音、視頻處理要求FPGA具有較高的計算處理能力，Ahera具有支持多CPU的FPGA器件，即支持多Nios II軟核處理器，從而把音、視頻處理等需高處理速度的模塊從主CPU中分離出來，減輕主CPU的處理負擔，增強系統的穩定性，節約成本。

4 基于FPGA的汽車電子設計
4．1 系統設計
??? 系統FPGA器件選用Ahera公司的 Cyclone II系列的EP2C35F672C8N，該系統設計實現密碼鎖和指紋識別、GPS導航、GSM通信、汽車防盜自動報警、倒車影像和車內攝像、收音機、車載電視、USB數據傳輸等功能，除此之外還設置CAN總線控制器接口，便于后續系統開發。該系統設計采用可編程的片上系統SoPC(System On Programmable Chip)技術將處理器、存儲器、I／O口等模塊集成到一個可編程器件，構成一個可編程的片上系統。用這種方式設計的系統在規模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標、上市周期、開發成本、產品維護及硬件升級等多方面實現最優。使用Quartus II SoPCBuilder和Nios II IDE 3個軟件組合完成系統設計和調試。設計過程中，對于相對簡單的控制(如密碼鎖模塊)可直接在Quartus II編寫Verilog代碼，仿真優化，引腳分配最后生成模塊；對于相對復雜的模塊控制，在Quartus II中建立工程，然后打開Sopc Builder組建系統，圖1為采用SoPC Builder搭建的硬件系統原理圖。系統組建完畢進行地址分配和系統仿真，最后生成系統模塊，然后在Nios II IDE環境下進行系統編程完成系統軟件開發，最后在Quartus II中連線并分配引腳，仿真，測試，編譯生成下載文件，通過JTAG接口下載到FPGA器件，完成系統開發。

4．2 系統模塊設計
4．2．1 密碼鎖和指紋識別
??? 這兩個模塊主要用于加強汽車的防盜安全系數。兩模塊可同時啟用，也可單獨啟用，當單獨通過其中之一驗證，不能對系統做任何更改，只有兩模塊同時通過驗證才能對此系統設置。
??? 密碼鎖模塊采用0～9中的任意6個數字作為系統密碼，模塊設計原理如圖2所示。此模塊主要包括鍵盤。密碼驗證和結果輸出。其中鍵盤通過在Quartus II環境下采用Verilog語言編程實現，其程序由時鐘分頻、鍵盤掃描和鍵譯碼轉換組成。而密碼驗證和結果輸出兩模塊當用戶通過鍵盤輸入密碼時，在 LCD上以“*”顯示密碼以及輸出結果，完全通過Verilog編程實現。

??? 圖3為指紋識別模塊設計原理圖。通過指紋采集模塊采集指紋，把數據通過串口輸入到FPGA器件進行圖像預處理，轉換成具有一定灰度級的數字圖像，然后提取特征點。與指紋庫指紋圖像相對比，最后輸出對比結果。該模塊采用Nios II處理器設計實現。

4．2．2 GPS導航模塊
??? 構建GPS導航系統需GPS天線、接收模塊、存儲器、處理器、相應的控制按鍵和地圖LCD顯示設備。為了提高開發周期，系統直接采用GARMIN公司的GPS25 OEM開發板，它與FPGA開發板的連接電路如圖4所示。

??? 此GPS模塊經MAX232器件轉換串口信號電平，然后連接到開發板的串口，實現硬件系統的搭建。系統軟件設計是在NiosIDE環境下用C編程讀取 GPS信息，提取GPS坐標信息并導入到存入存儲器中的地圖軟件，通過LCD控制模塊在LCD中顯示導航圖像。從而實現GPS導航模塊設計

4．2．3 GSM通信模塊
??? 系統要求高穩定性，高抗干擾性能．故選用西門子TC35i模塊搭建GSM Modem電路(GPRS模塊+SIM卡+電源變換+RS232接口)，如圖5所示。直接將GSM Modem模塊通過串口連接到FPGA，然后通過程序設計，通過FPGA開發板串口發送AT指令，從而控制GSM模塊。

4．2．4 車載防盜系統
??? 車載信息裝置安裝有GPS定位設備和GSM通信設備，因而可實時監控車輛。將GPS從車載信息裝置中分離，與GPRS一起放置于隱蔽之處，配有獨立電源。發現汽車被盜后，可通過手機或網絡向GSM模塊發送短信指令，把GPS模塊確定的汽車實時坐標和車輛內部攝像頭捕獲圖像通過GSM模塊連接的GPRS網絡發送給用戶，對于無法接收到GPS信號的地方，則需通過移動公司的GSM定位確定汽車大致位置。還可通過給GSM模塊發送指令，進而控制繼電器．進而控制汽車發動機，供油系統，點火系統等設備，有利于控制車輛并能及時找到失盜車輛，減少損失。
4．2．5 其他模塊設計
??? 該系統的收音機模塊采用TEA5768HL器件，車載電視模塊采用飛利浦的視頻電子調諧器，而CAN總線控制器則采用SJA1000主控器件和AS2C250輔助器件搭建端口。由此可見，只需將GSM、GPS、指紋、攝像頭等模塊通過串口、 USB口等接口連接到由FPGA器件和相應外同電路搭建的開發板，即可完成硬件系統的組建。軟件系統程序利用Altera公司提供的很多外設控制IP核，設計者不必從零編寫所有外設的控制程序，這樣可提高設計效率，縮短開發周期。

5 結束語
??? FPGA實現汽車電子的多模塊集中控制，增強汽車電子設計的靈活性，縮短開發周期，降低成本，縮小電子系統在車內所占用空間，同時提高了系統的穩定性和易維護性，方便系統升級。因此在未來汽車電子設計中FPGA必將有突出表現。