基于FPGA的汽车电子设计
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。
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
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。
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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。
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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。
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