DSP和FPGA在汽车电子中的应用

1 引言

目前，我国对于汽车电子系统的研究还不够深入。汽车制动防抱死系统、安全气囊、自动变速器和柴油机电控系统等仅在部分高校和企业进行了探索性研究，并未进入实用阶段。汽车电子技术为代表的高新技术，正是我国汽车工业发展的“瓶颈”。对此，我国汽车电子行业应该尽快掌握它们的核心技术，缩小与发达国家的差距，因以车载通信和高速实时信号处理技术这类新兴技术为突破口，依托国家信息技术研究的成果，开发出先进的车载计算和信息处理产品，提高汽车电子技术的进步，带动我国汽车的电子化水平。

20世纪末，在全球范围内兴起了一股信息革命的大浪潮，给汽车工业的发展带来了千载难逢的机遇。解决汽车带来的诸如交通拥挤、交通安全、环境污染、能源枯竭等问题需要靠信息技术的广泛应用。同时，随着汽车电子技术的不断发展，电子组件所占整车成本的比例也在逐步上升。据资料表明，目前，在欧美国家生产的汽车上，电子组件已占到汽车总成本的20～30%，并且，车用电子组件还以每年8.8％的速度飞快增长，特别是数字信号处理器芯片（DSP）的用量更是将以每年惊人的25％速度猛增着。可见，电子化、集成化、数字化、信息化、网络化、智能化、小型化和个性化已经成为并且还将继续是汽车工业发展的重要趋势。本文仅集中探讨汽车电子中基于DSP和FPGA的数字化应用技术。

　　汽车电子领域也有DSP和FPGA技术很广泛的应用舞台。因为其具有极强的实时性，使实时处理话音成为可能；由于它是通过面向芯片结构指令的软件编程来实现其功能的，因而仅修改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功能，具有极大的灵活性；又由于其并非专门为某种功能设计的，因而使用范围广、产量大、价格可以很低。所以，如果DSP和FPGA在汽车电子系统中大量应用的话，将会极大地促进汽车电子技术的发展。

　DSP

　　数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

　　　2 DSP和FPGA在汽车电子中的应用

　　比较DSP作为可编程超大规模集成电路（VLSI）器件，是通过可下载的软件或固件来实现扩展算法和数字信号处理功能的，其最典型的用途是实现FIR滤波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的构造单元是被称为MAC的乘加器，它通常被集成在数据信道中，这使得指令周期时间可以跟硬件的算术周期时间相同。此外，DSP芯片还有若干个独立的片内存储器、ROM、RAM、并行功能单元、锁相环（PLL）、振荡器、几条8位或16位的总线、时钟中断电路等。为满足无线便携式器件无电保存数据的要求，DSP芯片还采用了诸如闪速存储器、铁电存储器等技术。当前，大多数的DSP芯片采用改进的哈佛结构，即数据总线和地址总线相互分离，使得处理指令和数据可以同时进行，提高了处理效率。另外还采用了流水线技术，将取指、取操作数、执指等步骤的指令时间可以重迭起来，大大提运算速度。

　　不过，由于现有的FPGA的开发系统几乎都是为ASIC的原型验证而设计的，导致这些开发系统在节省工程开发时间上效率非常高，而在FPGA资源的利用效率方面却比较差。HDL语言可大大提高设计能力，但在最大限度地发挥器件性能方面HDL的设计方法还有一定的局限性，还不能提供FPGA布局布线的优化和约束。

　　3 汽车电子中的DSP和FPGA应用

提到汽车电子的数字化，不能不想到目前无线通信很看好的软件无线电技术，尽管它是针对无线通信的，但软件无线电所要实现的思想，与汽车电子之所以要数字化处理所追求的目标却是殊路同归的。因此，有必要提及和采用这一技术的实现思路和思想。软件无线电概念的首次明确提出是在1992年5月，由MITRE公司的JoeMitola提出，它是当今计算技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线通信中应用的产物；它所追求的基本思想和目标是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将多种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，以实现具有高度灵活性，开放性的通信产品。因此，对于汽车电子数字化产品的研究，完全可以吸取软件无线电的以下主要思想：第一，要使汽车电子产品摆