基于FPGA的汽车电子设计

1 引言
    随着数字技术的进步，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，越来越多的电子技术应用到汽车系统，汽车电子化的程度是衡量现代汽车水平的重要标志，是开发新车型、改进汽车性能最重要的技术措施。据统计，当前汽车上的电子装置成本占整车成本的约30％，在一些高档轿车上达到60％，而且汽车中约70％的创新来源于汽车电子技术。以前，汽车工程师一直依赖MCU(微控制器)和ASIC(专用集成电路)产品设计汽车电子系统，但随着系统越来越复杂，部件数目越来越多，产品快速推向市场的压力变大，性能的要求逐渐提高，同时，价格要合理，设计风险要低，这些是 MCU和ASIC所难以实现的。而FPGA能提供更高的性能和更多的功能，成本更低、风险更小、灵活性更高，而且在设计后期更易变更，甚至可对己经投入应用的产品进行升级，因此FPGA将成为未来汽车电子设计的理想解决方案。

2 FPGA简介
    现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Ar-ray)，是PAL、GAL、CPLD等可编程器件发展的产物，是专用集成电路领域中的一种半定制电路。其内部由可配置逻辑模块CLB (Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Outout Block)和内部连线(Interconnect)3部分构成，具有小型化、低功耗、多功能、数字化、标准化、系列化、集成度高、保密性好、可无限次反复编程、并有现场模拟调试验证的特点。Altera和Xilinx采用RAM工艺生产一般用途FPGA；Actel则基于反熔丝工艺和Flash工艺提供非易失性FPGA。

3 FPGA在汽车电子设计中的应用
    基于FPGA这些特点，国内外对其在汽车电子设计方面的应用研究也越来越多。国外某公司已开始在其引擎控制系统设计中引入FPGA器件。而国内也出现了不少基于FPGA的汽车电子设计，例如基于FPGA的ABS系统设计，汽车电子后视镜系统设计，基于Nios II的CAN总线通信系统设计，基于GSM／GPS的汽车防盗系统和基于SoPC的汽车仪表系统设计等。FPGA的并行处理方式具有很高的处理速度，广泛应用于汽车音视频处理。随着汽车的信息娱乐系统功能越来越多，例如GPS导航系统，影音视频播放功能，倒车影像系统，车载电视功能，FM收音机，MP3播放功能等，这就要求系统具有较高的音频和图形处理能力，需大量计算并通过高端处理器和DSP实现，但系统成本、复杂度和功耗都很高。汽车语音处理模块主要涉及到语音的数字化处理、语音编解码、语音压缩和语音识别等技术。特别是语音识别系统要实时处理和采样声音，但采用上述方法实现成本很高，这对于对成本敏感的汽车行业并不可取，而FPGA能很好解决这些问题，因为它可在一个时钟周期中处理多条指令，实现并行计算，计算能力高，能够完成视频和音频的处理任务。此外，FPGA在车载数据采集和对电子控制单元(ECU)的硬件在环(HIL)仿真等汽车测试方面也有相应应用。[page]

    其次在系统设计方面能体现其高灵活性，高集成度，高性能，开发周期短的特点。例如采用Ahera的FPGA设计系统，通过在SoPC Builder中调用相应IP核就可控制SDRAM，Flash等存储器和多种汽车常用接口，实现单器件与各个模块的硬件电路连接和控制。从而大大提高系统的集成度和开发效率。此外，由于音、视频处理要求FPGA具有较高的计算处理能力，Ahera具有支持多CPU的FPGA器件，即支持多Nios II软核处理器，从而把音、视频处理等需高处理速度的模块从主CPU中分离出来，减轻主CPU的处理负担，增强系统的稳定性，节约成本。

4 基于FPGA的汽车电子设计
4．1 系统设计
    系统FPGA器件选用Ahera公司的 Cyclone II系列的EP2C35F672C8N，该系统设计实现密码锁和指纹识别、GPS导航、GSM通信、汽车防盗自动报警、倒车影像和车内摄像、收音机、车载电视、USB数据传输等功能，除此之外还设置CAN总线控制器接口，便于后续系统开发。该系统设计采用可编程的片上系统SoPC(System On Programmable Chip)技术将处理器、存储器、I／O口等模块集成到一个可编程器件，构成一个可编程的片上系统。用这种方式设计的系统在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优。使用Quartus II SoPCBuilder和Nios II IDE 3个软件组合完成系统设计和调试。设计过程中，对于相对简单的控制(如密码锁模块)可直接在Quartus II编写Verilog代码，仿真优化，引脚分配最后生成模块；对于相对复杂的模块控制，在Quartus II中建立工程，然后打开Sopc Builder组建系统，图1为采用SoPC Builder搭建的硬件系统原理图。系统组建完毕进行地址分配和系统仿真，最后生成系统模块，然后在Nios II IDE环境下进行系统编程完成系统软件开发，最后在Quartus II中连线并分配引脚，仿真，测试，编译生成下载文件，通过JTAG接口下载到FPGA器件，完成系统开发。

4．2 系统模块设计
4．2．1 密码锁和指纹识别
    这两个模块主要用于加强汽车的防盗安全系数。两模块可同时启用，也可单独启用，当单独通过其中之一验证，不能对系统做任何更改，只有两模块同时通过验证才能对此系统设置。
    密码锁模块采用0～9中的任意6个数字作为系统密码，模块设计原理如图2所示。此模块主要包括键盘。密码验证和结果输出。其中键盘通过在Quartus II环境下采用Verilog语言编程实现，其程序由时钟分频、键盘扫描和键译码转换组成。而密码验证和结果输出两模块当用户通过键盘输入密码时，在 LCD上以“*”显示密码以及输出结果，完全通过Verilog编程实现。

    图3为指纹识别模块设计原理图。通过指纹采集模块采集指纹，把数据通过串口输入到FPGA器件进行图像预处理，转换成具有一定灰度级的数字图像，然后提取特征点。与指纹库指纹图像相对比，最后输出对比结果。该模块采用Nios II处理器设计实现。

4．2．2 GPS导航模块
    构建GPS导航系统需GPS天线、接收模块、存储器、处理器、相应的控制按键和地图LCD显示设备。为了提高开发周期，系统直接采用GARMIN公司的GPS25 OEM开发板，它与FPGA开发板的连接电路如图4所示。

    此GPS模块经MAX232器件转换串口信号电平，然后连接到开发板的串口，实现硬件系统的搭建。系统软件设计是在NiosIDE环境下用C编程读取 GPS信息，提取GPS坐标信息并导入到存入存储器中的地图软件，通过LCD控制模块在LCD中显示导航图像。从而实现GPS导航模块设计。

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4．2．3 GSM通信模块
    系统要求高稳定性，高抗干扰性能．故选用西门子TC35i模块搭建GSM Modem电路(GPRS模块+SIM卡+电源变换+RS232接口)，如图5所示。直接将GSM Modem模块通过串口连接到FPGA，然后通过程序设计，通过FPGA开发板串口发送AT指令，从而控制GSM模块。

4．2．4 车载防盗系统
    车载信息装置安装有GPS定位设备和GSM通信设备，因而可实时监控车辆。将GPS从车载信息装置中分离，与GPRS一起放置于隐蔽之处，配有独立电源。发现汽车被盗后，可通过手机或网络向GSM模块发送短信指令，把GPS模块确定的汽车实时坐标和车辆内部摄像头捕获图像通过GSM模块连接的GPRS网络发送给用户，对于无法接收到GPS信号的地方，则需通过移动公司的GSM定位确定汽车大致位置。还可通过给GSM模块发送指令，进而控制继电器．进而控制汽车发动机，供油系统，点火系统等设备，有利于控制车辆并能及时找到失盗车辆，减少损失。
4．2．5 其他模块设计
    该系统的收音机模块采用TEA5768HL器件，车载电视模块采用飞利浦的视频电子调谐器，而CAN总线控制器则采用SJA1000主控器件和AS2C250辅助器件搭建端口。由此可见，只需将GSM、GPS、指纹、摄像头等模块通过串口、 USB口等接口连接到由FPGA器件和相应外同电路搭建的开发板，即可完成硬件系统的组建。软件系统程序利用Altera公司提供的很多外设控制IP核，设计者不必从零编写所有外设的控制程序，这样可提高设计效率，缩短开发周期。

5 结束语
    FPGA实现汽车电子的多模块集中控制，增强汽车电子设计的灵活性，缩短开发周期，降低成本，缩小电子系统在车内所占用空间，同时提高了系统的稳定性和易维护性，方便系统升级。因此在未来汽车电子设计中FPGA必将有突出表现。