智能车载信息系统设计

根据美国交通部的一项研究，全世界人们每周在汽车上度过的交通时间超过5亿小时。既然花在汽车上的时间如此之多，人们希望能够利用这些时间来享受娱乐，同心爱的人说说话，甚至完成一些通常需要在工作场所才能完成的任务。

        在汽车中保持联系是人们最想实现的，这只要看一看手机的使用就可以知道。另外，路上遭遇严重的交通堵塞，走错了路，或者遇到像汽油用完了之类的常事，都可能影响您准时到达目的地。

            　　如何才能让驾驶者在安全驾驶的同时保持联系，并按时到达目的地呢？巧妙的方法是通过语音命令结合互联网连接进行通信和控制。Microsoft
            Telematics
            Platform(微软车载信息处理平台)提供了这一功能，它是一种用于集成各种移动设备和通过互联网与无线网络传送信息的集线器。
            　　微软车载信息处理平台提供以下功能：
            　　·高级的优质语音识别与合成技术
            　　·点播Web服务，如避免交通堵塞，访问最新头条新闻，或通过“MSN汽车”频道(目前仅适用于美国)查找距离最近价格最低的加油站
            　　·个性化导航：借助GPS寻找感兴趣的地点或指引方向
            　　·
            PDA/手机集成蓝牙技术，将手机和PDA无线连接到汽车的电子系统，让驾驶者能够通过汽车的音响系统使用语音来拨打和接听电话、获得会议提醒和访问重要数据。

            　　·通过远程诊断检查车辆的“健康”状况，包括故障与维护报警，从而有可能提高
            微软公司的汽车业务部与赛灵思共同创建了能够以低成本点提供这些优点的参考平台，从而促进了面向全世界驾驶者的更简单、更可靠且消费得起的解决方案的开发。

            灵活和可伸缩的平台
            　　传统的汽车电子设计方法一直是根据汽车制造商的需要开发很具体的、定制的和固定的解决方案。车载信息系统与信息娱乐正迫使汽车工业对被设计到一个典型的“联网汽车”中的产品和系统进行重新思考。

            　　消费世界与汽车的融合(如车载信息系统等应用)已将“消费开发”思想强行灌输给一个传统上缓慢、保守且由成本驱动的行业。由消费行业带来的新需求要求快速变化，因为消费者总是期待着有新的大事的出现。

            　　这种需求迫使人们寻求不仅能够满足当前应用而且能够实现未来和潜在未知特性的灵活架构和设计改变方法。这与典型的汽车电子设计通常所要求的多年的开发与验证周期存在冲突。现在，一个目前开发的平台(用于两三年后发布的新车)拥有能够应对在整个产品开发周期内和推出后发生的未知变化的足够系统资源是必需的。

            　　对任何平台而言，灵活性和伸缩性对架构能否成功获得市场接受都至关重要，无论是基本系统还是高性能的高端车载信息系统。鉴于此，微软开发了一个真正可以定制和伸缩的汽车标准车载信息处理平台。

            　　该平台整合了一个基于ARM9的微控制器，支持32MB闪存/32MB
            DRAM以上的内存，并包含集成GPS蓝牙和一个GSM电话模块。外部车辆连接包括一个CAN网络接口以及有保护的模拟和数字I/O，用于实现LED驱动和按钮输入等功能。该平台的基本架构如图1所示。

            　　微软利用了FPGA技术的灵活性和高集成度能力。该平台使用了一个Spartan-3 XC3S400
            FPGA，用于实现多个独立的目的，如GSM电话接口、车辆接口(CAN控制器和K-线路)以及复杂的音频信号调节和路由功能(如图2所示)。

 
            　　FPGA提供的高集成度也具有在一个器件内包含多种总线、接口和时钟的优点，从而使利用EMI的设计容易管理。此外，减少组件数量和电路板空间将降低生产成本，实现更高的制造质量，在任何汽车设计中这些都是重要的因素。

            　　在了解了车辆开发的实质和目前已有的众多不同的车辆接口，微软有意设计了一个灵活的解决方案，可允许对后端车辆接口进行快速修改而不影响下层架构和系统性能。例如，在未来将有可能调节FPGA解决方案，使之能满足带有诸如MOST、IDB-1394或其它数字车辆网络等汽车总线的最终应用的需求。

            语音识别系统
            　　微软车载信息处理平台的核心是语音识别(VR)系统。任何VR系统中的音频信号路径都是模拟偏置/滤波、数字化和数字滤波，最后才将信号送到VR引擎进行语音处理。

            　　在此路径中，存在多个多余噪声进入系统(包括电气平台上和汽车环境内，甚至在这些电子装置之前)的机会。产品开发者和汽车制造商都必须确保话筒位置和类型能正确地适用于应用和环境。 

            　　在完美的情况下，VR系统将接收到干净、连续的语音信号--但鉴于汽车环境的动态本质，设计可接受的语音识别并不是一件容易的事。诸如车速、车窗状态(开/关)、道路噪声以及天气状况(雨/风)等因素将进一步恶化本来已很难解决的VR系统问题，如语言、口音和性别等。这些附加的因素增强了在信号到达VR引擎之前采用高适应性数字滤波算法对其进行预处理的重要性。

            　　微软选择了用硬件来实现这种信号预处理功能，并采用了赛灵思的并行DSP处理。Spartan-3
            FPGA具有多达104个嵌入式18位乘法器，特别适合用于在一个低成本器件中实现紧凑DSP结构，如MAC引擎、分布式算术FIR滤波器以及全并行FIR滤波器。

            　　微软还将处理器密集型软件滤波任务卸载到硬件中来实现。当然，这种预处理也可以用ASSP来实现，如专用DSP芯片。但这样做就会失去通过该平台其它部分的高度集成所获得的好处。

            　　车载信息系统与VR的结合可以实现专门适用于某些类型的用户和环境(如语言：英语；口音：苏格兰；性别：女)的可适应和可升级的VR引擎和DSP滤波器。

            　　在设计汽车产品(特别是车辆的信息娱乐部分)时留有充分备用资源以适应新的和意外的未来升级的重要性同样适用于FPGA。现在对汽车OEM厂商来说越来越清楚的是，采用灵活和可伸缩固件的架构在未来平台中是必需的。

            　　虽然目前的微软平台中没有实现系统协处理器，但可以很容易地通过添加软处理器来实现。就像在微软的设计中把DSP处理负荷从主处理器上卸载一样，也可以使用嵌入式处理器(如Xilinx
            32位MicroBlaze软处理器或8位PicoBlaze微控制器)从主系统处理器上卸载一些处理负荷。
            用于汽车应用的FPGA
            　　近年来车载电子设备出现了巨大的增长，不仅传统的车身控制和发动机管理方面，还包括驾驶员辅助系统和车载信息系统应用等新的领域。IEEE最近公布的数字显示，汽车电子年增长率为16%，并预计到2005年在一个中型汽车内电子设备的成本将占到总成本的25%。

            　　车载信息系统显示出更像消费产品的一些特性--上市时间快，在市时间短，标准和协议不断变化。这些问题将影响工程师们进行设计和选择所需硬件以快速创建、重复和支持未来升级的方法。

            　　现在FPGA技术可以满足这些要求。赛灵思承诺将通过其赛灵思汽车(XA)系列产品满足车载信息系统和汽车信息娱乐应用的需求，该系列产品可提供以下特性：

            　　·扩展温度范围，最高可达125℃
            　　·全生产性零件核准程序(PPAP)支持
            　　·行业公认的AEC-Q100器件合格检验流程
            　　·遵守世界汽车质量标准ISO TS 16949，并采用无铅封装以符合RoHS指令
            　　这些器件基于我们的Spartan系列FPGA，特别适用于要求每逻辑单元(系统门)具有低成本、每I/O低成本、以及诸如在单个器件上拥有多种I/O标准和嵌入式乘法器以实现高速DSP等高级特性的数字设计。

            本文小结
            　　在微软汽车业务部和赛灵思汽车业务部等支持者的承诺下，汽车制造商正将关键技术的融合采用在一个可以帮助实现以下功能的平台内：
            　　·一种有价值且消费得起的车载信息系统解决方案
            　　·通过无线网络的可靠连接性
            　　·高质量语音识别
            　　·一种面向应用开发者的得到广泛支持的操作系统
            　　·低成本硬件