安全性是汽車消費者最關心的問題了。圖1給出了Visteon進行的一項研究結果，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注不僅僅是為了司機和乘客，還有道路上的其他人。安全設備已經(jīng)從物理領域轉向電子領域，從輪胎和剎車技術的進步，到側撞保護和安全氣囊，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和傳感器，不斷監(jiān)測和評估周圍的環(huán)境、為司機顯示相關信息，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）相機來提高觀察能力。更為先進的設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。最終的目標是車輛能夠自動對這種信息做出反應，為司機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太疲勞了，那么系統(tǒng)就會通過車內(nèi)的揚聲器給出聲音告警。

　　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設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)巡航控制的預設速度。

　　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，車隊的領頭卡車由司機手動駕駛，但后隨的卡車則自動駕駛。除了減輕司機的許多負擔以外，卡車間的距離也可大大縮短，因為電子響應速度更為迅速。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)邦車輛標準安全法規(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)的相機來檢測和識別乘員，同時在算法上考慮到乘員調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)中的應用

　　圖2給出了賽靈思現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）應用于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行實時處理。由于應用（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鍵的。通常需要兩個或更多相機來獲得立體圖像，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）。結合雷達和激光測量，以及來自陀螺儀和車輪傳感器的運動檢測信息，可以相當準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。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。將速度關鍵的處理過程劃分到FPGA硬件中還可以對實時速度進行測試，而這對于軟件是不可能的。

　　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結構能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理。來自Xilinx的最新Vir tex- 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。隨著邊沿和目標檢測算法的不斷改進，可在數(shù)分鐘中內(nèi)完成硬件升級，而且不需要重新設計電路板。

　　利用可編程外設橋接汽車網(wǎng)絡

　　隨著汽車中演化出真正小型網(wǎng)絡，設備制造商必須確定在眾多的網(wǎng)絡協(xié)議中哪種標準將是最成功的，或者哪些標準能夠為自己帶來最大的好處。不同的網(wǎng)絡技術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（如FlexRay）。圖2中選擇了一種預驗證的控制區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）接口內(nèi)核作為例子。

　　可應用于車內(nèi)的一種此類新興網(wǎng)絡協(xié)議就是藍牙。藍牙無線技術是一種用于移動設備和WAN/LAN接入點的低成本、低功耗的短距離射頻技術。這種源于計算和電信行業(yè)的標準描述了手機、計算機和PDA等設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，駕駛員可以利用藍牙無繩耳機與口袋中的手機通信。因此可避免司機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）來定義藍牙汽車標準。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。藍牙在汽車中應用的一個例子Johnson Controls公司的免提手機系統(tǒng)“BlueConnect”，該系統(tǒng)允許司機在雙手扶住方向盤的情況下通過支持藍牙功能的手機保持聯(lián)系。

　　然而，藍牙器件的長期支持還存在問題，同時車內(nèi)環(huán)境噪聲對于藍牙設備工作的影響也需要認真考慮。轎車和其他車輛的壽命要比消費類產(chǎn)品或手機長得多，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，克萊斯勒集團展出了應用了藍牙技術的汽車。

　　與采用ASSP相比，采用FPGA的最大好處之一是允許工程師設計出精確匹配系統(tǒng)要求的接口和外設。在開發(fā)的早期階段試圖連接到不同的汽車網(wǎng)絡時，這一點特別有用。當試圖快速將產(chǎn)品推向市場時，芯片組或ASIC重新設計即成本昂貴又耗費時間。在標準實現(xiàn)的早期，如果網(wǎng)絡協(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用或額外的人力就可以通過遠程維護完成硬件修改。

　　針對汽車應用的Xilinx IQ解決方案

　　為滿足汽車電子設備設計人員的需要，賽靈思（Xilinx）公司推出了一系列支持擴展工業(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展包括密度高達30萬門的FPGA器件，以及密度高達512個宏單元的CPLD器件，如表2所示。

　　結論

　　輔助駕駛系統(tǒng)的開發(fā)和應用需要高性能圖像處理，同時又不希望犧牲在目標檢測和汽車網(wǎng)絡技術研發(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)絡連接標準支持能力，同時為系統(tǒng)設計師提供了一個完全靈活的設計平臺。通過可實時工作的此類系統(tǒng)，為駕駛人員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