基于FPGA的汽車電子設(shè)計(jì)分析

安徽省馬鞍山工業(yè)學(xué)校 楊萬仙

基于現(xiàn)代電子技術(shù)的汽車電子系統(tǒng)，在當(dāng)前眾多汽車架構(gòu)中都有著十分廣泛的使用，其可以使得汽車電子設(shè)計(jì)朝著更加靈活化的方向發(fā)展，繼而滿足快速設(shè)計(jì)的基本訴求。尤其是FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的出現(xiàn)，使得汽車電子設(shè)計(jì)解決方案朝著更加高效化的方向發(fā)展，引領(lǐng)著汽車電子設(shè)計(jì)。本文首先概述了EPGA的概況，接著結(jié)合實(shí)際汽車電子設(shè)計(jì)案例，分析EPGA在汽車電子設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的運(yùn)用。

一、EPGA概況

現(xiàn)場可編程門陣列，是在傳統(tǒng)PAL，CPLD，GAL等可編程器件基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展而來的，其充分利用數(shù)字集成電路的優(yōu)勢(shì)，依靠存儲(chǔ)器，處理器，邏輯器件的基本架構(gòu)，可以為各種特定用途的設(shè)計(jì)工作提供服務(wù)。相比較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)期間，其規(guī)模更加龐大，集成度更高，數(shù)字化效能明顯，可以進(jìn)行反復(fù)編程操作，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)周期的縮短，使用成本也比較低，甚至可以進(jìn)行在線校驗(yàn)，由此成為很多領(lǐng)域產(chǎn)品生產(chǎn)和原型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重要輔助工具。

二、EPGA在汽車電子設(shè)計(jì)中的有效使用

EPGA在不同的汽車電子設(shè)計(jì)情境中，可以發(fā)揮自身完全不同的效能，由此在實(shí)現(xiàn)該工具使用的時(shí)候，就需要做到具體問題具體分析。從當(dāng)前實(shí)踐應(yīng)用案例來看，汽車電子設(shè)計(jì)中EPGA的使用，主要可以歸結(jié)為如下幾個(gè)方面：

圖1 GPS+GSM雙重定位的基本設(shè)備

（一）車載定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的使用

車載定位系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車系統(tǒng)架構(gòu)的重要節(jié)點(diǎn)。隨著人們對(duì)于汽車性能要求的提升，車載定位系統(tǒng)的精確性，成為眾多消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)。由此提供更加精確的車載定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，就成為汽車電子設(shè)計(jì)師普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。在一款高智能汽車系統(tǒng)研發(fā)的時(shí)候，設(shè)計(jì)需求對(duì)于車載定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)性提出了更高的要求，此時(shí)就要求設(shè)計(jì)人員去尋求更加理想的定位手段，以保證實(shí)際定位的精確性。在綜合考量之后，實(shí)際的設(shè)計(jì)方案如下：融合FPGA和GPS+GSM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)雙重定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以保證實(shí)際的車載定位系統(tǒng)處于高精度的狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)方案中，首先充分肯定了EPGA的邏輯控制能力，認(rèn)為其可以很好的成為車載定位系統(tǒng)的核心，再者NiosII的外接口符合多種配置標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這使得其呈現(xiàn)出良好的延展性。而GPS+GSM技術(shù)模塊的融合，可以實(shí)現(xiàn)更加有效的定位，兩者之間的協(xié)作，可以使得雙重定位價(jià)值得以全面發(fā)揮，并且在GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸和接收的過程中，更加快捷的獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和信息，這將成為開展實(shí)際實(shí)時(shí)定位和監(jiān)控功能開發(fā)的重要技術(shù)手段。圖1為GPS+GSM雙重定位的基本設(shè)備。本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的硬件設(shè)備主要包括：外部存儲(chǔ)器，LCD設(shè)備，GPS模塊，GSM模塊，控制模塊，EPGA芯片。詳細(xì)來講述，EPGA芯片主要包括：接口的驅(qū)動(dòng)，存儲(chǔ)器，軟核處理器，處理器系統(tǒng)這四個(gè)部分。

（二）電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)作原理比較復(fù)雜，其需要保證在剎車環(huán)節(jié)中踩下制動(dòng)板，此時(shí)通過電子感應(yīng)可以獲取到加速度，力度大小，位移的相關(guān)信息，由此可以準(zhǔn)確的判定駕駛?cè)藛T的想法。也就是說在此過程中制動(dòng)的指令需要通過各種模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，依靠電控單元，確定對(duì)應(yīng)的信息，由此獲取電控單元的傳輸信號(hào)，傳輸信號(hào)在隔離電路和放大電路的幫助下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和輸出力矩的限制，由此將其傳遞給電機(jī)控制器，這樣就可以實(shí)現(xiàn)車輪的驅(qū)動(dòng)。在此過程中，將EPGA融入其中，可以依照制動(dòng)傳感器和電流傳感器的運(yùn)作情況，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效反饋，當(dāng)期到達(dá)電控單元后，實(shí)際反饋的信號(hào)就可以被調(diào)整和改善，這就可以使得制動(dòng)行為處于可控的狀態(tài)，由此使得汽車的運(yùn)行處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。在該節(jié)點(diǎn)中，主要的模塊結(jié)構(gòu)有：電子踏板單元，電控單元，車速采集模塊，無刷直流電機(jī)，傳感器，控制器等。這些都可以在EPGA的輔助下，進(jìn)行有效的協(xié)作，找到各個(gè)節(jié)點(diǎn)中可能存在的不協(xié)調(diào)，繼而采取有效的措施去改善和完善，由此保證實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的，這樣的調(diào)試反饋，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)效率得以不斷提升，這也是難能可貴的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前很多汽車電子設(shè)計(jì)的過程中，部分設(shè)計(jì)人員也會(huì)將EPGA的SOPC技術(shù)融入其中，其主要的價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊，控制單元，模糊算法模塊的進(jìn)一步融合，由此創(chuàng)設(shè)更加理想的檢測環(huán)境，為實(shí)際設(shè)計(jì)行為提供更多的數(shù)據(jù)信息參考，由此引導(dǎo)實(shí)際的設(shè)計(jì)工作朝著高效率的方向發(fā)展。

（三）車用語音信號(hào)處理設(shè)計(jì)中的使用

汽車智能化發(fā)展背景下，對(duì)于車用語音信號(hào)處理也提出了更高的要求，各種先進(jìn)的語音識(shí)別技術(shù)被融入到汽車電子設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中去。一般情況下，語音識(shí)別的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要從：反饋速度上。從設(shè)備上來看，反饋速度的提升，除了需要依靠硬件加速之外，還需要采用串行技術(shù)，確保實(shí)際實(shí)時(shí)性。但是從當(dāng)前的很多汽車電子設(shè)計(jì)的案例來看，往往難以達(dá)到理想的效果。此時(shí)設(shè)計(jì)人員提出可以使用高主頻的EPGA，其功耗比較低，實(shí)際體積也不大，可以結(jié)合不同的需求來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由此可以很好的被使用到語音信號(hào)處理的環(huán)節(jié)。一般情況下，這種硬件主要有：能量計(jì)算模塊，語音信號(hào)濾波模塊，語音信號(hào)分幀模塊，語音信號(hào)加窗模塊等，其運(yùn)行價(jià)值為：在進(jìn)入EPGA之后，會(huì)執(zhí)行濾波操作，并且在仿真測試環(huán)境中，充分的發(fā)揮對(duì)應(yīng)模塊的效能，就可以使得設(shè)計(jì)人員更好去進(jìn)行規(guī)劃和安排。

三、EPGA汽車電子設(shè)計(jì)應(yīng)用預(yù)測

隨著EPGA汽車電子設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，其在設(shè)計(jì)中的輔助效能會(huì)不斷展現(xiàn)出來，繼而成為未來汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要設(shè)計(jì)手段。也就是說，基于當(dāng)前EPGA技術(shù)的使用實(shí)踐，可以使得我們清晰的認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，而為了切實(shí)的發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，還需要我們?cè)谄囯娮釉O(shè)計(jì)的過程中做出更多的嘗試和探索。在此節(jié)點(diǎn)，需要以發(fā)展的眼光去審視，積極推動(dòng)技術(shù)革新，形成全新的技術(shù)格局，由此輔助汽車電子設(shè)計(jì)，保證實(shí)際的汽車電子設(shè)計(jì)朝著可持續(xù)的方向發(fā)展。從當(dāng)前汽車電子設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)來看，其未來的發(fā)展趨勢(shì)可以歸結(jié)為如下幾個(gè)方面：

（一）標(biāo)準(zhǔn)化

EPGA在汽車電子設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)中的運(yùn)用，會(huì)使得實(shí)際設(shè)計(jì)輔助的價(jià)值得以不斷發(fā)揮，而在此過程中實(shí)際的輔助行為模式也慢慢形成，由此漸漸形成各種規(guī)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使得EPGA的使用行為朝著規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。無論是從行業(yè)長期發(fā)展的維度來看，還是從實(shí)際設(shè)計(jì)輔助工具優(yōu)化來看，EPGA的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建，將會(huì)成為未來其在汽車電子設(shè)計(jì)中得到更好應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)體系必然是多元化的，其結(jié)合汽車電子設(shè)計(jì)的不同節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)計(jì)方案的提供，由此使得設(shè)計(jì)行為模式得以固化，繼而使得其更好的服務(wù)于汽車電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

（二）智能化

隨著云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)服務(wù)的多樣化發(fā)展和進(jìn)步，使得EPGA設(shè)計(jì)優(yōu)化工具的功能開始展現(xiàn)出智能化的一面。據(jù)調(diào)查，部分企業(yè)已經(jīng)推出了新一代的EPGA設(shè)計(jì)優(yōu)化工具，其甚至可以在不修改代碼和約束條件的前提下，依靠機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析的方式，使得時(shí)序收斂的問題得到解決，由此創(chuàng)設(shè)出更加理想的設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)境，確保實(shí)際的設(shè)計(jì)行為展現(xiàn)出智能化的特點(diǎn)。也就是說未來的EPGA會(huì)與云計(jì)算技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)融合起來，形成更加智能化的設(shè)計(jì)格局，由此使得設(shè)計(jì)人員可以更好的與工具實(shí)現(xiàn)交互，以變提供更多的汽車電子設(shè)計(jì)方案，使得汽車電子設(shè)計(jì)工作質(zhì)量得以提升。

（三）多功能化

EPGA在汽車電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，會(huì)使得其功能朝著更多的方向發(fā)展。其應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛，實(shí)際的性能會(huì)更加多樣化。從當(dāng)前來看，其在I/0硬件定時(shí)環(huán)節(jié)能夠發(fā)揮效能，其實(shí)際的運(yùn)行更加穩(wěn)定，可以很好的作用于數(shù)字信號(hào)處理和分析中。對(duì)于汽車電子測試而言，這種解決方案更加低成本。再者還可以在車載數(shù)據(jù)采集，電子控制單元，硬件在環(huán)仿真等環(huán)節(jié)發(fā)揮效能。除此之外，在未來EPGA將會(huì)在電子設(shè)計(jì)中發(fā)揮著更加大的效能。

四、結(jié)語

綜上所述，因?yàn)楝F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)具有自定義邏輯功能和高可靠性的特點(diǎn)，所以，工程師已將FPGA技術(shù)融入測試系統(tǒng)，解決汽車電子設(shè)計(jì)與測試的困難，同時(shí)滿足低成本、系統(tǒng)可擴(kuò)展性和復(fù)雜的測試環(huán)境要求。本文結(jié)合多個(gè)應(yīng)用案例，分析該技術(shù)在實(shí)際汽車電子設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用價(jià)值，其充分展現(xiàn)出自身的技術(shù)效能，使得我們意識(shí)到該技術(shù)對(duì)于汽車電子設(shè)計(jì)的重要性。筆者認(rèn)為應(yīng)該積極開拓創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)體系的不斷構(gòu)建，以多功能，智能化，標(biāo)準(zhǔn)化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的不斷研究，繼而將其更快的滲透到實(shí)際的汽車電子設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，由此推動(dòng)汽車電子設(shè)計(jì)工作格局得以變革。