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高級駕駛員輔助系統(ADAS)現狀 近幾年，電子行業飛速發展，各種新產品新技術層出不窮。從消費類電子產品到其他類型電子產品諸如醫療、工業等這幾年的發展來看，電子行業的每次技術革新都會帶來一波產品升級熱潮。汽車行業作為一個相對保守的行業，在工業消費類的電子技術不斷成熟和完善后，以更加穩健的方式逐步引入到汽車電子中。 在眾多的技術熱點和概念中 ，ADAS更是熱點中的熱點。其包含的應用廣泛，從最基本外界感知到汽車的自動駕駛；技術先進，將高清音視頻傳輸和77G雷達系統引入進來；可靠性和安全性強，新的產品和設計都是將ISO26262的功能安全理念融入其中，相對于AECQ100的對汽車電子的基礎要求是一個相當的飛躍。其卓越的駕駛體驗和實實在在的可靠性、安全性刷新了人們對汽車這個代步工具的重新認識。也吸引了諸多企業，競相參與到這場技術革新的盛宴之中。其中不單單是各大車廠，半導體廠商，就連很多互聯網巨頭也開始跨界參與，并且成績斐然。除了全球一線的汽車廠商，諸如奔馳、寶馬、奧迪之外，谷歌、百度等一些互聯網巨頭也結合自身優勢，在汽車電子領域做出了傲人的成績，無人駕駛車輛就是完美的例證。 當前在電子技術上實現無人駕駛已經不是問題，如上所述多家汽車巨頭如奔馳、寶馬、奧迪及互聯網公司如谷歌、百度等都已實現無人駕駛。但是由于相關法律法規，以及公共資源配套等多方面因素影響，無人駕駛在短時間內還只能停留在概念階段。而諸如車聯網，環視，碰撞識別等ADAS關鍵技術卻早已經是萬眾期待，可以盡早推出，投入使用。其不僅可以極大提高汽車的安全性、可靠性，同時在功能性和娛樂性等駕駛體驗上也有極大的提高。 ADAS在各個方面嘗試著引入新的技術以改善用戶體驗，從各個角度諸如安全性、可靠性、穩定性、舒適性、實用性等來逐步提升汽車的功能和性能。近兩年來，電動汽車以指數級的增長速度在增長，一方面得益于政策的支持，同時也是由于電動車的各種先天優勢和對技術的極致追求。各種新技術都在電動車領域率先試水， ADAS也隨之越來越受到關注和認可。雖然傳統車輛跟進稍慢，但是新的設計理念也在逐步的滲透在開發和設計中，相信未來新的技術都將會推進到傳統車和新能源車里面。 ADAS的概念和所包含的內容及應用 ADAS包含的內容廣泛，其通常包括導航與實時交通系統，電子警察系統、車聯網、自適應巡航、車道偏移報警系統、車道保持系統，碰撞避免或預碰撞系統、夜視系統、自適應燈光控制、行人保護系統、自動泊車系統、交通標志識別、盲點探測，駕駛員疲勞探測、下坡控制系統和電動汽車報警系統。 而在上述的眾多應用中，從技術實現角度或者功能分類上來講，大體可以分為傳感器部分，網絡連接和接口部分及數據處理部分。其中傳感器包含有攝像頭、雷達、激光和超聲波等，可以探測光、熱、壓力或其它用于監測汽車狀態的變量。網絡連接和接口部分，包含車身內部的傳統總線，如CAN，LIN，FLEXRAY等，接口諸如LVDS,MIPICSI等，近來以太網也通過直接或間接的方式越來越多的融入到汽車中來。數據處理部分，當然就是單片機，或者高端一些的處理器。 目前市面上與車聯網和高級駕駛員輔助系統的產品大都圍繞著OBD接口，車載導航一體機，智能后視鏡展開。將主動安全，被動安全，安全輔助，高級駕駛員輔助系統的很多功能通過車上的顯示系統或者手機展示出來和進行人機交互。國內有不少ODM廠商都有比較好的解決方案，很多車型已經在前裝或者后裝市場搭載了類似的系統。 恩智浦半導體ADAS相關方案、產品及特性 恩智浦作為全球最大的汽車半導體廠商，在ADAS相關應用中有著非常先進的產品并且有完整的產品線路及解決方案。本文主要圍繞著ADAS相關應用，逐步展開和介紹恩智浦的方案和相關產品。 如下圖1，這是一個融合了多種ADAS應用的一個應用網絡框圖，其中虛線部分是可選的。 
圖1：恩智浦 ADAS系統框圖 在整個系統框架圖中，我們可以看到如上文所介紹的三大部分，傳感器部分諸如胎壓監測，加速度傳感器以及77G雷達收發系統；網絡部分此處只列舉了常用的CAN,LIN和以太網，IIC，FlexRay等其他總線沒有列出；單片機及處理器部分，列舉的大都是符合ISO26262認證的芯片，部分是具有安全特性的，后文會詳細介紹。 上述系統中的網絡可以從功能特性上分為四個部分，第一部分是圍繞攝像頭采集部分，由MPC5604E通過視頻轉換，再經由以太網，傳輸到網關。其中應用了以太網AVB技術，后續部分詳細介紹。再通過網關將多路視頻信息匯集到中央媒體處理器S32V234上，經過S32V234進行處理轉換后，輸出到顯示屏（單獨顯示屏或者雙屏輸出，其中一路HUD抬頭顯示）。其中虛線部分MAC57D也是一個圖形視頻應用處理芯片，在復雜應用情況下，可以添加到系統里作為輔助處理。例如增加后座顯示后，視頻圖像處理任務過重，可以將部分視頻和處理任務分擔給MAC57D。第二部分是雷達系統，其中包含77G雷達收發套片和專門的雷達信息處理芯片MPC577XK。在雷達信號被處理完成之后，可以將檢測到的前方障礙物信息通過以太網或者高速FLEXCAN總線傳送給S32V234。第三部分是車身網關部分，由MPC574XG作為整個網絡的協議轉換，實現以太網和CAN,LIN等其他車身內的總線之間的轉換和傳輸。最下面是車身內其它應用，與ADAS相關或者無關的子網或者節點。整個系統如果考慮與外界實現互聯，那么可以通過添加3g/4g通訊模塊或者通過wifi接入以太網云端或者AVB云端，實現真正意義上的車聯網。 恩智浦音視頻處理系統和77G雷達系統 上述系統中有兩個最核心的部分，一個是音視頻處理系統，一個是77G雷達檢測系統。 在音視頻處理系統中，包含了采集部分、傳輸部分和顯示部分。第一步，由攝像頭采集過來的圖像信息，經過格式轉換和壓縮后(MPC5604E)，再通過AVB網絡傳送到主處理器S32V234中進行視頻拼接融合，轉換，然后通過視頻輸出端口輸出到車機顯示屏或者HUD系統的輸入端。 系統中的兩個主要芯片，MPC5604E和S32V234。MPC5604E是基于PowerPC e200架構單片機，運行Autosar的操作系統，搭載AVB的流媒體處理協議棧和以太網攝像頭應用軟件。芯片本身并沒有ISO26262認證，但是搭載了符合功能安全的操作系統，安全系數大幅提升。在下一代Cortex-M4核汽車級單片機系列里將會有符合ISO26262認證的視頻網關處理芯片，將進一步提高系統的安全性，這里不做過多介紹。 S32V234是恩智浦最新的視頻處理芯片，芯片架構圖如下圖2：
圖2：S32V234架構框圖 S32V234是一個視頻處理器，包含4個1GHz的CORTEX-A53處理器和一個120MHz的CORTEX-M4控制器，并且有多種專門的視頻圖像加速處理單元。從可靠性方面來講，本芯片通過了ISO26262認證，達到ASIL-B級別，本系列中有其他芯片最高能到到ASIL-D級別。其集成了一些與安全安全相關的模塊，例如FCCU（錯誤收集和控制模塊）,MEMU（內存錯誤管理單元）,CRC（循環冗余碼校驗）,SSE（安全狀態引擎）模塊和其他一些相關功能特性，比如ECC等。同時提供功能安全相關文檔，如功能安全手冊，FMEDA表格和報告。軟件支持方面有linux BSP軟件包支持和Autosar 系統支持。同時支持AVB高清影視頻傳輸協議，音視頻傳輸系統完全按照AVB協議標準進行設計。 從處理器的性能和功能方面來講，S32V234包含的4個1GHz的CORTEX-A53處理器，每個核心擁有自己獨立的32K 一級 Icache和 Dcache和256K公用的二級cache。可以輕松的在各類操作系統上加載多種應用程序，網絡處理能力最大帶寬能到到1000M，輕松收發轉換多路高清音視頻。芯片包含一個Cortex-M4的控制器，擁有自己獨立的cache，用于做設備的引導和各種IO外設的實時信號處理。在汽車應用中，可以從物理上獨立運行兩個操作系統，M4上運行實時操作系統Autosar，A53上運行linux或者安卓系統。從系統架構上完全可以將車身控制和ADAS應用完全隔離開，保證整車系統的安全性。比如連接互聯網所面臨的黑客威脅，對操作系統或者應用程序存在的風險完全從物理上被隔離開來。即使linux或者安卓系統遭到入侵崩潰或者被劫持，也不會對車身控制的安全性有絲毫影響。換句話說，從技術角度上來講，車聯網本身的安全性在此可以得到完全的保障，從而可以打消大家對互聯網介入有可能會影響到安全駕駛產生的疑慮。 在圖形圖像處理方面，S32V234擁有多種圖形圖像處理和加速單元。芯片包含了兩個二維的動畫和混合引擎（2D-ACE）。可以生成和處理二維的圖形圖像，并且可以做多層圖像的混合，在處理類似flash動畫組件的場景時有其天生的優勢，可以用最少的資源來做出非常酷炫的效果。由于自身也包含專屬的DMA，可以自主的從存儲器中存取數據，極大加速了圖形圖像的生成和顯示速度，最高支持輸出到2032x2047的顯示屏輸出。芯片集成有vivante 的GC3000圖形處理單元（GPU），是一個高性能的3D圖形加速處理單元。可達到1.2GPixels/sec的像素速率和200M Triangles/sec的幾何速率。其GPU著色器可提供高達39GFLOP/sec的性能。在車載一體機的應用中，除了圖形圖像顯示，還可以增加很多3D圖形的應用。芯片集成了可編程的圖像信號處理(ISP)模組，其包含了8個IPUS(Image processing Unit-Scalar)和4個IPUV(Image processing Unit-vector)，專屬的加速引擎和DMA通道。在ADAS中的主要應用是從攝像頭采集原始數據，并且做預處理，然后這些數據可以再做進一步的圖像分析，或者瀏覽，視頻編解碼等。芯片集成了CogniVue的APEX2引擎，是APEX的升級版。其包含了兩個陣列處理單元，每個單元由64個16位的SIMD計算單元或者配置成32個16位的MIMD計算單元。針對影像處理優化的計算單元，同時集成有模塊專屬的DMA模塊，使得數據搬運速度大幅提升而無需主CPU介入。在后視攝像倒車影像處理中，障礙物檢測是其應用的一個亮點，無需倒車雷達介入，直接通過圖像識別來判斷障礙物的遠近。在其他的應用諸如行人檢測，車道偏離，盲點檢測，交通等識別等諸多應用中，都可以通過APEX的出色的圖像處理性能進行應用開發。 第二部分是77G雷達處理系統，如下圖3所示： 其主要ADAS應用在以下幾個場景，高級緊急制動、前向碰撞預警（圖三）、車道偏離預警、輔助剎車和盲點監測。
圖三：77G雷達波前向碰撞檢測預警 77G雷達部分包含了模擬前端和數字處理兩個部分，如下圖4所示。圖的上半部分是過去的方案，模擬前端部分由收發器，放大濾波和VCO組成，而處理部分由單片機加ADC，FPGA和DAC組成。現在的方案將模擬前端集成后變成了3個芯片，收發器和VCO，處理部分全部集成在了一顆芯片內部，及MPC5775K，實現了集成度的大幅提升。雷達套片用于調頻連續波的生成和接收，其通過數字波束成形，和電子掃描陣列來對前方物體的距離進行偵測。其中用到了多普勒頻偏效應，由此產生了非常大的計算量，因此需要處理端有一個非常強大的處理器來進行相應的處理。MPC5775K是恩智浦最新一代55nm符合ISO26262功能安全標準的處理器，安全級別ASIL-D。其包含了兩個e200z4和兩個e200z7核 Power架構的核心，擁有專屬16K的Icache和Dcache。同時內置了一個非常特殊的功能單元SPT(信號處理工具箱)，其中包含域傅里葉變換和多普勒傅里葉變換加速引擎，專門用來處理復雜的數學計算，極大減輕了CPU的處理負荷。其中也包含了以太網模塊，可以將偵測到的路況信息通過以太網傳輸給中央處理器。
圖四：恩智浦77G雷達檢測系統框圖 目前針對ADAS已經有了很多比較接地氣的應用，例如遠程救援，車隊管理，智能導航，預約維護保養，移動辦公，車企服務，客服中心呼叫，汽車防盜，語音控制系統等。都可以基于上述硬件系統或者添加模塊來實現。恩智浦也將在已有硬件基礎上提供更多更貼近于產品或市場需求的應用的軟件包或者底層驅動，并且在軟件和硬件上加入更多的功能安全要素。這樣開發人員更專注于應用層的開發，進一步提高產品的可靠性和用戶體驗。 |
