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恩智浦高级驾驶员辅助系统(ADAS)方案及产品介绍 |
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高级驾驶员辅助系统(ADAS)现状
近几年，电子行业飞速发展，各种新产品新技术层出不穷。从消费类电子产品到其他类型电子产品诸如医疗、工业等这几年的发展来看，电子行业的每次技术革新都会带来一波产品升级热潮。汽车行业作为一个相对保守的行业，在工业消费类的电子技术不断成熟和完善后，以更加稳健的方式逐步引入到汽车电子中。
在众多的技术热点和概念中 ，ADAS更是热点中的热点。其包含的应用广泛，从最基本外界感知到汽车的自动驾驶；技术先进，将高清音视频传输和77G雷达系统引入进来；可靠性和安全性强，新的产品和设计都是将ISO26262的功能安全理念融入其中，相对于AECQ100的对汽车电子的基础要求是一个相当的飞跃。其卓越的驾驶体验和实实在在的可靠性、安全性刷新了人们对汽车这个代步工具的重新认识。也吸引了诸多企业，竞相参与到这场技术革新的盛宴之中。其中不单单是各大车厂，半导体厂商，就连很多互联网巨头也开始跨界参与，并且成绩斐然。除了全球一线的汽车厂商，诸如奔驰、宝马、奥迪之外，谷歌、百度等一些互联网巨头也结合自身优势，在汽车电子领域做出了傲人的成绩，无人驾驶车辆就是完美的例证。
当前在电子技术上实现无人驾驶已经不是问题，如上所述多家汽车巨头如奔驰、宝马、奥迪及互联网公司如谷歌、百度等都已实现无人驾驶。但是由于相关法律法规，以及公共资源配套等多方面因素影响，无人驾驶在短时间内还只能停留在概念阶段。而诸如车联网，环视，碰撞识别等ADAS关键技术却早已经是万众期待，可以尽早推出，投入使用。其不仅可以极大提高汽车的安全性、可靠性，同时在功能性和娱乐性等驾驶体验上也有极大的提高。
ADAS在各个方面尝试着引入新的技术以改善用户体验，从各个角度诸如安全性、可靠性、稳定性、舒适性、实用性等来逐步提升汽车的功能和性能。近两年来，电动汽车以指数级的增长速度在增长，一方面得益于政策的支持，同时也是由于电动车的各种先天优势和对技术的极致追求。各种新技术都在电动车领域率先试水， ADAS也随之越来越受到关注和认可。虽然传统车辆跟进稍慢，但是新的设计理念也在逐步的渗透在开发和设计中，相信未来新的技术都将会推进到传统车和新能源车里面。
ADAS的概念和所包含的内容及应用
ADAS包含的内容广泛，其通常包括导航与实时交通系统，电子警察系统、车联网、自适应巡航、车道偏移报警系统、车道保持系统，碰撞避免或预碰撞系统、夜视系统、自适应灯光控制、行人保护系统、自动泊车系统、交通标志识别、盲点探测，驾驶员疲劳探测、下坡控制系统和电动汽车报警系统。
而在上述的众多应用中，从技术实现角度或者功能分类上来讲，大体可以分为传感器部分，网络连接和接口部分及数据处理部分。其中传感器包含有摄像头、雷达、激光和超声波等，可以探测光、热、压力或其它用于监测汽车状态的变量。网络连接和接口部分，包含车身内部的传统总线，如CAN，LIN，FLEXRAY等，接口诸如LVDS,MIPICSI等，近来以太网也通过直接或间接的方式越来越多的融入到汽车中来。数据处理部分，当然就是单片机，或者高端一些的处理器。
目前市面上与车联网和高级驾驶员辅助系统的产品大都围绕着OBD接口，车载导航一体机，智能后视镜展开。将主动安全，被动安全，安全辅助，高级驾驶员辅助系统的很多功能通过车上的显示系统或者手机展示出来和进行人机交互。国内有不少ODM厂商都有比较好的解决方案，很多车型已经在前装或者后装市场搭载了类似的系统。
恩智浦半导体ADAS相关方案、产品及特性
恩智浦作为全球最大的汽车半导体厂商，在ADAS相关应用中有着非常先进的产品并且有完整的产品线路及解决方案。本文主要围绕着ADAS相关应用，逐步展开和介绍恩智浦的方案和相关产品。
如下图1，这是一个融合了多种ADAS应用的一个应用网络框图，其中虚线部分是可选的。
图1：恩智浦 ADAS系统框图
在整个系统框架图中，我们可以看到如上文所介绍的三大部分，传感器部分诸如胎压监测，加速度传感器以及77G雷达收发系统；网络部分此处只列举了常用的CAN,LIN和以太网，IIC，FlexRay等其他总线没有列出；单片机及处理器部分，列举的大都是符合ISO26262认证的芯片，部分是具有安全特性的，后文会详细介绍。
上述系统中的网络可以从功能特性上分为四个部分，第一部分是围绕摄像头采集部分，由MPC5604E通过视频转换，再经由以太网，传输到网关。其中应用了以太网AVB技术，后续部分详细介绍。再通过网关将多路视频信息汇集到中央媒体处理器S32V234上，经过S32V234进行处理转换后，输出到显示屏（单独显示屏或者双屏输出，其中一路HUD抬头显示）。其中虚线部分MAC57D也是一个图形视频应用处理芯片，在复杂应用情况下，可以添加到系统里作为辅助处理。例如增加后座显示后，视频图像处理任务过重，可以将部分视频和处理任务分担给MAC57D。第二部分是雷达系统，其中包含77G雷达收发套片和专门的雷达信息处理芯片MPC577XK。在雷达信号被处理完成之后，可以将检测到的前方障碍物信息通过以太网或者高速FLEXCAN总线传送给S32V234。第三部分是车身网关部分，由MPC574XG作为整个网络的协议转换，实现以太网和CAN,LIN等其他车身内的总线之间的转换和传输。最下面是车身内其它应用，与ADAS相关或者无关的子网或者节点。整个系统如果考虑与外界实现互联，那么可以通过添加3g/4g通讯模块或者通过wifi接入以太网云端或者AVB云端，实现真正意义上的车联网。
恩智浦音视频处理系统和77G雷达系统
上述系统中有两个最核心的部分，一个是音视频处理系统，一个是77G雷达检测系统。
在音视频处理系统中，包含了采集部分、传输部分和显示部分。第一步，由摄像头采集过来的图像信息，经过格式转换和压缩后(MPC5604E)，再通过AVB网络传送到主处理器S32V234中进行视频拼接融合，转换，然后通过视频输出端口输出到车机显示屏或者HUD系统的输入端。
系统中的两个主要芯片，MPC5604E和S32V234。MPC5604E是基于PowerPC e200架构单片机，运行Autosar的操作系统，搭载AVB的流媒体处理协议栈和以太网摄像头应用软件。芯片本身并没有ISO26262认证，但是搭载了符合功能安全的操作系统，安全系数大幅提升。在下一代Cortex-M4核汽车级单片机系列里将会有符合ISO26262认证的视频网关处理芯片，将进一步提高系统的安全性，这里不做过多介绍。
S32V234是恩智浦最新的视频处理芯片，芯片架构图如下图2：
S32V234是一个视频处理器，包含4个1GHz的CORTEX-A53处理器和一个120MHz的CORTEX-M4控制器，并且有多种专门的视频图像加速处理单元。从可靠性方面来讲，本芯片通过了ISO26262认证，达到ASIL-B级别，本系列中有其他芯片最高能到到ASIL-D级别。其集成了一些与安全安全相关的模块，例如FCCU（错误收集和控制模块）,MEMU（内存错误管理单元）,CRC（循环冗余码校验）,SSE（安全状态引擎）模块和其他一些相关功能特性，比如ECC等。同时提供功能安全相关文档，如功能安全手册，FMEDA表格和报告。软件支持方面有linux BSP软件包支持和Autosar 系统支持。同时支持AVB高清影视频传输协议，音视频传输系统完全按照AVB协议标准进行设计。
从处理器的性能和功能方面来讲，S32V234包含的4个1GHz的CORTEX-A53处理器，每个核心拥有自己独立的32K 一级 Icache和 Dcache和256K公用的二级cache。可以轻松的在各类操作系统上加载多种应用程序，网络处理能力最大带宽能到到1000M，轻松收发转换多路高清音视频。芯片包含一个Cortex-M4的控制器，拥有自己独立的cache，用于做设备的引导和各种IO外设的实时信号处理。在汽车应用中，可以从物理上独立运行两个操作系统，M4上运行实时操作系统Autosar，A53上运行linux或者安卓系统。从系统架构上完全可以将车身控制和ADAS应用完全隔离开，保证整车系统的安全性。比如连接互联网所面临的黑客威胁，对操作系统或者应用程序存在的风险完全从物理上被隔离开来。即使linux或者安卓系统遭到入侵崩溃或者被劫持，也不会对车身控制的安全性有丝毫影响。换句话说，从技术角度上来讲，车联网本身的安全性在此可以得到完全的保障，从而可以打消大家对互联网介入有可能会影响到安全驾驶产生的疑虑。
在图形图像处理方面，S32V234拥有多种图形图像处理和加速单元。芯片包含了两个二维的动画和混合引擎（2D-ACE）。可以生成和处理二维的图形图像，并且可以做多层图像的混合，在处理类似flash动画组件的场景时有其天生的优势，可以用最少的资源来做出非常酷炫的效果。由于自身也包含专属的DMA，可以自主的从存储器中存取数据，极大加速了图形图像的生成和显示速度，最高支持输出到2032x2047的显示屏输出。芯片集成有vivante 的GC3000图形处理单元（GPU），是一个高性能的3D图形加速处理单元。可达到1.2GPixels/sec的像素速率和200M Triangles/sec的几何速率。其GPU着色器可提供高达39GFLOP/sec的性能。在车载一体机的应用中，除了图形图像显示，还可以增加很多3D图形的应用。芯片集成了可编程的图像信号处理(ISP)模组，其包含了8个IPUS(Image processing Unit-Scalar)和4个IPUV(Image processing Unit-vector)，专属的加速引擎和DMA通道。在ADAS中的主要应用是从摄像头采集原始数据，并且做预处理，然后这些数据可以再做进一步的图像分析，或者浏览，视频编解码等。芯片集成了CogniVue的APEX2引擎，是APEX的升级版。其包含了两个阵列处理单元，每个单元由64个16位的SIMD计算单元或者配置成32个16位的MIMD计算单元。针对影像处理优化的计算单元，同时集成有模块专属的DMA模块，使得数据搬运速度大幅提升而无需主CPU介入。在后视摄像倒车影像处理中，障碍物检测是其应用的一个亮点，无需倒车雷达介入，直接通过图像识别来判断障碍物的远近。在其他的应用诸如行人检测，车道偏离，盲点检测，交通等识别等诸多应用中，都可以通过APEX的出色的图像处理性能进行应用开发。
第二部分是77G雷达处理系统，如下图3所示：
其主要ADAS应用在以下几个场景，高级紧急制动、前向碰撞预警（图三）、车道偏离预警、辅助刹车和盲点监测。
图三：77G雷达波前向碰撞检测预警
77G雷达部分包含了模拟前端和数字处理两个部分，如下图4所示。图的上半部分是过去的方案，模拟前端部分由收发器，放大滤波和VCO组成，而处理部分由单片机加ADC，FPGA和DAC组成。现在的方案将模拟前端集成后变成了3个芯片，收发器和VCO，处理部分全部集成在了一颗芯片内部，及MPC5775K，实现了集成度的大幅提升。雷达套片用于调频连续波的生成和接收，其通过数字波束成形，和电子扫描阵列来对前方物体的距离进行侦测。其中用到了多普勒频偏效应，由此产生了非常大的计算量，因此需要处理端有一个非常强大的处理器来进行相应的处理。MPC5775K是恩智浦最新一代55nm符合ISO26262功能安全标准的处理器，安全级别ASIL-D。其包含了两个e200z4和两个e200z7核 Power架构的核心，拥有专属16K的Icache和Dcache。同时内置了一个非常特殊的功能单元SPT(信号处理工具箱)，其中包含域傅里叶变换和多普勒傅里叶变换加速引擎，专门用来处理复杂的数学计算，极大减轻了CPU的处理负荷。其中也包含了以太网模块，可以将侦测到的路况信息通过以太网传输给中央处理器。
图四：恩智浦77G雷达检测系统框图
目前针对ADAS已经有了很多比较接地气的应用，例如远程救援，车队管理，智能导航，预约维护保养，移动办公，车企服务，客服中心呼叫，汽车防盗，语音控制系统等。都可以基于上述硬件系统或者添加模块来实现。恩智浦也将在已有硬件基础上提供更多更贴近于产品或市场需求的应用的软件包或者底层驱动，并且在软件和硬件上加入更多的功能安全要素。这样开发人员更专注于应用层的开发，进一步提高产品的可靠性和用户体验。(end)
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(投稿)
(12/17/2015) |
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