智能車載信息系統設計

　　根據美國交通部的一項研究，全世界人們每周在汽車上度過的交通時間超過5億小時。既然花在汽車上的時間如此之多，人們希望能夠利用這些時間來享受娛樂，同心愛的人說說話，甚至完成一些通常需要在工作場所才能完成的任務。
　　在汽車中保持聯系是人們最想實現的，這只要看一看手機的使用就可以知道。另外，路上遭遇嚴重的交通堵塞，走錯了路，或者遇到像汽油用完了之類的常事，都可能影響您準時到達目的地。
　　如何才能讓駕駛者在安全駕駛的同時保持聯系，并按時到達目的地呢？巧妙的方法是通過語音命令結合互聯網連接進行通信和控制。Microsoft Telematics Platform(微軟車載信息處理平臺)提供了這一功能，它是一種用于集成各種移動設備和通過互聯網與無線網絡傳送信息的集線器。
　　微軟車載信息處理平臺提供以下功能：
　　·高級的優質語音識別與合成技術
　　·點播Web服務，如避免交通堵塞，訪問最新頭條新聞，或通過“MSN汽車”頻道(目前僅適用于美國)查找距離最近價格最低的加油站
　　·個性化導航：借助GPS尋找感興趣的地點或指引方向
　　· PDA/手機集成藍牙技術，將手機和PDA無線連接到汽車的電子系統，讓駕駛者能夠通過汽車的音響系統使用語音來撥打和接聽電話、獲得會議提醒和訪問重要數據。
　　·通過遠程診斷檢查車輛的“健康”狀況，包括故障與維護報警，從而有可能提高
微軟公司的汽車業務部與賽靈思共同創建了能夠以低成本點提供這些優點的參考平臺，從而促進了面向全世界駕駛者的更簡單、更可靠且消費得起的解決方案的開發。
靈活和可伸縮的平臺
　　傳統的汽車電子設計方法一直是根據汽車制造商的需要開發很具體的、定制的和固定的解決方案。車載信息系統與信息娛樂正迫使汽車工業對被設計到一個典型的“聯網汽車”中的產品和系統進行重新思考。
　　消費世界與汽車的融合(如車載信息系統等應用)已將“消費開發”思想強行灌輸給一個傳統上緩慢、保守且由成本驅動的行業。由消費行業帶來的新需求要求快速變化，因為消費者總是期待著有新的大事的出現。
　　這種需求迫使人們尋求不僅能夠滿足當前應用而且能夠實現未來和潛在未知特性的靈活架構和設計改變方法。這與典型的汽車電子設計通常所要求的多年的開發與驗證周期存在沖突。現在，一個目前開發的平臺(用于兩三年后發布的新車)擁有能夠應對在整個產品開發周期內和推出后發生的未知變化的足夠系統資源是必需的。
　　對任何平臺而言，靈活性和伸縮性對架構能否成功獲得市場接受都至關重要，無論是基本系統還是高性能的高端車載信息系統。鑒于此，微軟開發了一個真正可以定制和伸縮的汽車標準車載信息處理平臺。
　　該平臺整合了一個基于ARM9的微控制器，支持32MB閃存/32MB DRAM以上的內存，并包含集成GPS藍牙和一個GSM電話模塊。外部車輛連接包括一個CAN網絡接口以及有保護的模擬和數字I/O，用于實現LED驅動和按鈕輸入等功能。該平臺的基本架構如圖1所示。
　　微軟利用了FPGA技術的靈活性和高集成度能力。該平臺使用了一個Spartan-3 XC3S400 FPGA，用于實現多個獨立的目的，如GSM電話接口、車輛接口(CAN控制器和K-線路)以及復雜的音頻信號調節和路由功能(如圖2所示)。
　　FPGA提供的高集成度也具有在一個器件內包含多種總線、接口和時鐘的優點，從而使利用EMI的設計容易管理。此外，減少組件數量和電路板空間將降低生產成本，實現更高的制造質量，在任何汽車設計中這些都是重要的因素。

　　在了解了車輛開發的實質和目前已有的眾多不同的車輛接口，微軟有意設計了一個靈活的解決方案，可允許對后端車輛接口進行快速修改而不影響下層架構和系統性能。例如，在未來將有可能調節FPGA解決方案，使之能滿足帶有諸如MOST、IDB-1394或其它數字車輛網絡等汽車總線的最終應用的需求。

語音識別系統
　　微軟車載信息處理平臺的核心是語音識別(VR)系統。任何VR系統中的音頻信號路徑都是模擬偏置/濾波、數字化和數字濾波，最后才將信號送到VR引擎進行語音處理。
　　在此路徑中，存在多個多余噪聲進入系統(包括電氣平臺上和汽車環境內，甚至在這些電子裝置之前)的機會。產品開發者和汽車制造商都必須確保話筒位置和類型能正確地適用于應用和環境。
　　在完美的情況下，VR系統將接收到干凈、連續的語音信號--但鑒于汽車環境的動態本質，設計可接受的語音識別并不是一件容易的事。諸如車速、車窗狀態(開/關)、道路噪聲以及天氣狀況(雨/風)等因素將進一步惡化本來已很難解決的VR系統問題，如語言、口音和性別等。這些附加的因素增強了在信號到達VR引擎之前采用高適應性數字濾波算法對其進行預處理的重要性。
　　微軟選擇了用硬件來實現這種信號預處理功能，并采用了賽靈思的并行DSP處理。Spartan-3 FPGA具有多達104個嵌入式18位乘法器，特別適合用于在一個低成本器件中實現緊湊DSP結構，如MAC引擎、分布式算術FIR濾波器以及全并行FIR濾波器。
　　微軟還將處理器密集型軟件濾波任務卸載到硬件中來實現。當然，這種預處理也可以用ASSP來實現，如專用DSP芯片。但這樣做就會失去通過該平臺其它部分的高度集成所獲得的好處。
　　車載信息系統與VR的結合可以實現專門適用于某些類型的用戶和環境(如語言：英語；口音：蘇格蘭；性別：女)的可適應和可升級的VR引擎和DSP濾波器。
　　在設計汽車產品(特別是車輛的信息娛樂部分)時留有充分備用資源以適應新的和意外的未來升級的重要性同樣適用于FPGA。現在對汽車OEM廠商來說越來越清楚的是，采用靈活和可伸縮固件的架構在未來平臺中是必需的。
　　雖然目前的微軟平臺中沒有實現系統協處理器，但可以很容易地通過添加軟處理器來實現。就像在微軟的設計中把DSP處理負荷從主處理器上卸載一樣，也可以使用嵌入式處理器(如Xilinx 32位MicroBlaze軟處理器或8位PicoBlaze微控制器)從主系統處理器上卸載一些處理負荷。
用于汽車應用的FPGA
　　近年來車載電子設備出現了巨大的增長，不僅傳統的車身控制和發動機管理方面，還包括駕駛員輔助系統和車載信息系統應用等新的領域。IEEE最近公布的數字顯示，汽車電子年增長率為16%，并預計到2005年在一個中型汽車內電子設備的成本將占到總成本的25%。
　　車載信息系統顯示出更像消費產品的一些特性--上市時間快，在市時間短，標準和協議不斷變化。這些問題將影響工程師們進行設計和選擇所需硬件以快速創建、重復和支持未來升級的方法。
　　現在FPGA技術可以滿足這些要求。賽靈思承諾將通過其賽靈思汽車(XA)系列產品滿足車載信息系統和汽車信息娛樂應用的需求，該系列產品可提供以下特性：
　　·擴展溫度范圍，最高可達125℃
　　·全生產性零件核準程序(PPAP)支持
　　·行業公認的AEC-Q100器件合格檢驗流程
　　·遵守世界汽車質量標準ISO TS 16949，并采用無鉛封裝以符合RoHS指令
　　這些器件基于我們的Spartan系列FPGA，特別適用于要求每邏輯單元(系統門)具有低成本、每I/O低成本、以及諸如在單個器件上擁有多種I/O標準和嵌入式乘法器以實現高速DSP等高級特性的數字設計。
本文小結
　　在微軟汽車業務部和賽靈思汽車業務部等支持者的承諾下，汽車制造商正將關鍵技術的融合采用在一個可以幫助實現以下功能的平臺內：
　　·一種有價值且消費得起的車載信息系統解決方案
　　·通過無線網絡的可靠連接性
　　·高質量語音識別
　　·一種面向應用開發者的得到廣泛支持的操作系統
　　·低成本硬件