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高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)現(xiàn)狀 近幾年，電子行業(yè)飛速發(fā)展，各種新產(chǎn)品新技術(shù)層出不窮。從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到其他類型電子產(chǎn)品諸如醫(yī)療、工業(yè)等這幾年的發(fā)展來(lái)看，電子行業(yè)的每次技術(shù)革新都會(huì)帶來(lái)一波產(chǎn)品升級(jí)熱潮。汽車行業(yè)作為一個(gè)相對(duì)保守的行業(yè)，在工業(yè)消費(fèi)類的電子技術(shù)不斷成熟和完善后，以更加穩(wěn)健的方式逐步引入到汽車電子中。 在眾多的技術(shù)熱點(diǎn)和概念中 ，ADAS更是熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。其包含的應(yīng)用廣泛，從最基本外界感知到汽車的自動(dòng)駕駛；技術(shù)先進(jìn)，將高清音視頻傳輸和77G雷達(dá)系統(tǒng)引入進(jìn)來(lái)；可靠性和安全性強(qiáng)，新的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)都是將ISO26262的功能安全理念融入其中，相對(duì)于AECQ100的對(duì)汽車電子的基礎(chǔ)要求是一個(gè)相當(dāng)?shù)娘w躍。其卓越的駕駛體驗(yàn)和實(shí)實(shí)在在的可靠性、安全性刷新了人們對(duì)汽車這個(gè)代步工具的重新認(rèn)識(shí)。也吸引了諸多企業(yè)，競(jìng)相參與到這場(chǎng)技術(shù)革新的盛宴之中。其中不單單是各大車廠，半導(dǎo)體廠商，就連很多互聯(lián)網(wǎng)巨頭也開始跨界參與，并且成績(jī)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(lián)網(wǎng)巨頭也結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，在汽車電子領(lǐng)域做出了傲人的成績(jī)，無(wú)人駕駛車輛就是完美的例證。 當(dāng)前在電子技術(shù)上實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛已經(jīng)不是問(wèn)題，如上所述多家汽車巨頭如奔馳、寶馬、奧迪及互聯(lián)網(wǎng)公司如谷歌、百度等都已實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。但是由于相關(guān)法律法規(guī)，以及公共資源配套等多方面因素影響，無(wú)人駕駛在短時(shí)間內(nèi)還只能停留在概念階段。而諸如車聯(lián)網(wǎng)，環(huán)視，碰撞識(shí)別等ADAS關(guān)鍵技術(shù)卻早已經(jīng)是萬(wàn)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(shí)在功能性和娛樂(lè)性等駕駛體驗(yàn)上也有極大的提高。 ADAS在各個(gè)方面嘗試著引入新的技術(shù)以改善用戶體驗(yàn)，從各個(gè)角度諸如安全性、可靠性、穩(wěn)定性、舒適性、實(shí)用性等來(lái)逐步提升汽車的功能和性能。近兩年來(lái)，電動(dòng)汽車以指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)速度在增長(zhǎng)，一方面得益于政策的支持，同時(shí)也是由于電動(dòng)車的各種先天優(yōu)勢(shì)和對(duì)技術(shù)的極致追求。各種新技術(shù)都在電動(dòng)車領(lǐng)域率先試水， ADAS也隨之越來(lái)越受到關(guān)注和認(rèn)可。雖然傳統(tǒng)車輛跟進(jìn)稍慢，但是新的設(shè)計(jì)理念也在逐步的滲透在開發(fā)和設(shè)計(jì)中，相信未來(lái)新的技術(shù)都將會(huì)推進(jìn)到傳統(tǒng)車和新能源車?yán)锩妗?br /> ADAS的概念和所包含的內(nèi)容及應(yīng)用 ADAS包含的內(nèi)容廣泛，其通常包括導(dǎo)航與實(shí)時(shí)交通系統(tǒng)，電子警察系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)、自適應(yīng)巡航、車道偏移報(bào)警系統(tǒng)、車道保持系統(tǒng)，碰撞避免或預(yù)碰撞系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)、自適應(yīng)燈光控制、行人保護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)泊車系統(tǒng)、交通標(biāo)志識(shí)別、盲點(diǎn)探測(cè)，駕駛員疲勞探測(cè)、下坡控制系統(tǒng)和電動(dòng)汽車報(bào)警系統(tǒng)。 而在上述的眾多應(yīng)用中，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度或者功能分類上來(lái)講，大體可以分為傳感器部分，網(wǎng)絡(luò)連接和接口部分及數(shù)據(jù)處理部分。其中傳感器包含有攝像頭、雷達(dá)、激光和超聲波等，可以探測(cè)光、熱、壓力或其它用于監(jiān)測(cè)汽車狀態(tài)的變量。網(wǎng)絡(luò)連接和接口部分，包含車身內(nèi)部的傳統(tǒng)總線，如CAN，LIN，F(xiàn)LEXRAY等，接口諸如LVDS,MIPICSI等，近來(lái)以太網(wǎng)也通過(guò)直接或間接的方式越來(lái)越多的融入到汽車中來(lái)。數(shù)據(jù)處理部分，當(dāng)然就是單片機(jī)，或者高端一些的處理器。 目前市面上與車聯(lián)網(wǎng)和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)的產(chǎn)品大都圍繞著OBD接口，車載導(dǎo)航一體機(jī)，智能后視鏡展開。將主動(dòng)安全，被動(dòng)安全，安全輔助，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)的很多功能通過(guò)車上的顯示系統(tǒng)或者手機(jī)展示出來(lái)和進(jìn)行人機(jī)交互。國(guó)內(nèi)有不少ODM廠商都有比較好的解決方案，很多車型已經(jīng)在前裝或者后裝市場(chǎng)搭載了類似的系統(tǒng)。 恩智浦半導(dǎo)體ADAS相關(guān)方案、產(chǎn)品及特性 恩智浦作為全球最大的汽車半導(dǎo)體廠商，在ADAS相關(guān)應(yīng)用中有著非常先進(jìn)的產(chǎn)品并且有完整的產(chǎn)品線路及解決方案。本文主要圍繞著ADAS相關(guān)應(yīng)用，逐步展開和介紹恩智浦的方案和相關(guān)產(chǎn)品。 如下圖1，這是一個(gè)融合了多種ADAS應(yīng)用的一個(gè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)框圖，其中虛線部分是可選的。 
圖1：恩智浦 ADAS系統(tǒng)框圖 在整個(gè)系統(tǒng)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(jiān)測(cè)，加速度傳感器以及77G雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)部分此處只列舉了常用的CAN,LIN和以太網(wǎng)，IIC，F(xiàn)lexRay等其他總線沒(méi)有列出；單片機(jī)及處理器部分，列舉的大都是符合ISO26262認(rèn)證的芯片，部分是具有安全特性的，后文會(huì)詳細(xì)介紹。 上述系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)可以從功能特性上分為四個(gè)部分，第一部分是圍繞攝像頭采集部分，由MPC5604E通過(guò)視頻轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由以太網(wǎng)，傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。其中應(yīng)用了以太網(wǎng)AVB技術(shù)，后續(xù)部分詳細(xì)介紹。再通過(guò)網(wǎng)關(guān)將多路視頻信息匯集到中央媒體處理器S32V234上，經(jīng)過(guò)S32V234進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換后，輸出到顯示屏（單獨(dú)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(gè)圖形視頻應(yīng)用處理芯片，在復(fù)雜應(yīng)用情況下，可以添加到系統(tǒng)里作為輔助處理。例如增加后座顯示后，視頻圖像處理任務(wù)過(guò)重，可以將部分視頻和處理任務(wù)分擔(dān)給MAC57D。第二部分是雷達(dá)系統(tǒng)，其中包含77G雷達(dá)收發(fā)套片和專門的雷達(dá)信息處理芯片MPC577XK。在雷達(dá)信號(hào)被處理完成之后，可以將檢測(cè)到的前方障礙物信息通過(guò)以太網(wǎng)或者高速FLEXCAN總線傳送給S32V234。第三部分是車身網(wǎng)關(guān)部分，由MPC574XG作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN,LIN等其他車身內(nèi)的總線之間的轉(zhuǎn)換和傳輸。最下面是車身內(nèi)其它應(yīng)用，與ADAS相關(guān)或者無(wú)關(guān)的子網(wǎng)或者節(jié)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)如果考慮與外界實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，那么可以通過(guò)添加3g/4g通訊模塊或者通過(guò)wifi接入以太網(wǎng)云端或者AVB云端，實(shí)現(xiàn)真正意義上的車聯(lián)網(wǎng)。 恩智浦音視頻處理系統(tǒng)和77G雷達(dá)系統(tǒng) 上述系統(tǒng)中有兩個(gè)最核心的部分，一個(gè)是音視頻處理系統(tǒng)，一個(gè)是77G雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)。 在音視頻處理系統(tǒng)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(guò)來(lái)的圖像信息，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換和壓縮后(MPC5604E)，再通過(guò)AVB網(wǎng)絡(luò)傳送到主處理器S32V234中進(jìn)行視頻拼接融合，轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)視頻輸出端口輸出到車機(jī)顯示屏或者HUD系統(tǒng)的輸入端。 系統(tǒng)中的兩個(gè)主要芯片，MPC5604E和S32V234。MPC5604E是基于PowerPC e200架構(gòu)單片機(jī)，運(yùn)行Autosar的操作系統(tǒng)，搭載AVB的流媒體處理協(xié)議棧和以太網(wǎng)攝像頭應(yīng)用軟件。芯片本身并沒(méi)有ISO26262認(rèn)證，但是搭載了符合功能安全的操作系統(tǒng)，安全系數(shù)大幅提升。在下一代Cortex-M4核汽車級(jí)單片機(jī)系列里將會(huì)有符合ISO26262認(rèn)證的視頻網(wǎng)關(guān)處理芯片，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性，這里不做過(guò)多介紹。 S32V234是恩智浦最新的視頻處理芯片，芯片架構(gòu)圖如下圖2：
圖2：S32V234架構(gòu)框圖 S32V234是一個(gè)視頻處理器，包含4個(gè)1GHz的CORTEX-A53處理器和一個(gè)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(lái)講，本芯片通過(guò)了ISO26262認(rèn)證，達(dá)到ASIL-B級(jí)別，本系列中有其他芯片最高能到到ASIL-D級(jí)別。其集成了一些與安全安全相關(guān)的模塊，例如FCCU（錯(cuò)誤收集和控制模塊）,MEMU（內(nèi)存錯(cuò)誤管理單元）,CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）,SSE（安全狀態(tài)引擎）模塊和其他一些相關(guān)功能特性，比如ECC等。同時(shí)提供功能安全相關(guān)文檔，如功能安全手冊(cè)，F(xiàn)MEDA表格和報(bào)告。軟件支持方面有l(wèi)inux BSP軟件包支持和Autosar 系統(tǒng)支持。同時(shí)支持AVB高清影視頻傳輸協(xié)議，音視頻傳輸系統(tǒng)完全按照AVB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 從處理器的性能和功能方面來(lái)講，S32V234包含的4個(gè)1GHz的CORTEX-A53處理器，每個(gè)核心擁有自己獨(dú)立的32K 一級(jí) Icache和 Dcache和256K公用的二級(jí)cache。可以輕松的在各類操作系統(tǒng)上加載多種應(yīng)用程序，網(wǎng)絡(luò)處理能力最大帶寬能到到1000M，輕松收發(fā)轉(zhuǎn)換多路高清音視頻。芯片包含一個(gè)Cortex-M4的控制器，擁有自己獨(dú)立的cache，用于做設(shè)備的引導(dǎo)和各種IO外設(shè)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理。在汽車應(yīng)用中，可以從物理上獨(dú)立運(yùn)行兩個(gè)操作系統(tǒng)，M4上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Autosar，A53上運(yùn)行l(wèi)inux或者安卓系統(tǒng)。從系統(tǒng)架構(gòu)上完全可以將車身控制和ADAS應(yīng)用完全隔離開，保證整車系統(tǒng)的安全性。比如連接互聯(lián)網(wǎng)所面臨的黑客威脅，對(duì)操作系統(tǒng)或者應(yīng)用程序存在的風(fēng)險(xiǎn)完全從物理上被隔離開來(lái)。即使linux或者安卓系統(tǒng)遭到入侵崩潰或者被劫持，也不會(huì)對(duì)車身控制的安全性有絲毫影響。換句話說(shuō)，從技術(shù)角度上來(lái)講，車聯(lián)網(wǎng)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(duì)互聯(lián)網(wǎng)介入有可能會(huì)影響到安全駕駛產(chǎn)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(gè)二維的動(dòng)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(dòng)畫組件的場(chǎng)景時(shí)有其天生的優(yōu)勢(shì)，可以用最少的資源來(lái)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(chǔ)器中存取數(shù)據(jù)，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(gè)高性能的3D圖形加速處理單元。可達(dá)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(dá)39GFLOP/sec的性能。在車載一體機(jī)的應(yīng)用中，除了圖形圖像顯示，還可以增加很多3D圖形的應(yīng)用。芯片集成了可編程的圖像信號(hào)處理(ISP)模組，其包含了8個(gè)IPUS(Image processing Unit-Scalar)和4個(gè)IPUV(Image processing Unit-vector)，專屬的加速引擎和DMA通道。在ADAS中的主要應(yīng)用是從攝像頭采集原始數(shù)據(jù)，并且做預(yù)處理，然后這些數(shù)據(jù)可以再做進(jìn)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(jí)版。其包含了兩個(gè)陣列處理單元，每個(gè)單元由64個(gè)16位的SIMD計(jì)算單元或者配置成32個(gè)16位的MIMD計(jì)算單元。針對(duì)影像處理優(yōu)化的計(jì)算單元，同時(shí)集成有模塊專屬的DMA模塊，使得數(shù)據(jù)搬運(yùn)速度大幅提升而無(wú)需主CPU介入。在后視攝像倒車影像處理中，障礙物檢測(cè)是其應(yīng)用的一個(gè)亮點(diǎn)，無(wú)需倒車?yán)走_(dá)介入，直接通過(guò)圖像識(shí)別來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近。在其他的應(yīng)用諸如行人檢測(cè)，車道偏離，盲點(diǎn)檢測(cè)，交通等識(shí)別等諸多應(yīng)用中，都可以通過(guò)APEX的出色的圖像處理性能進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。 第二部分是77G雷達(dá)處理系統(tǒng)，如下圖3所示： 其主要ADAS應(yīng)用在以下幾個(gè)場(chǎng)景，高級(jí)緊急制動(dòng)、前向碰撞預(yù)警（圖三）、車道偏離預(yù)警、輔助剎車和盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)。
圖三：77G雷達(dá)波前向碰撞檢測(cè)預(yù)警 77G雷達(dá)部分包含了模擬前端和數(shù)字處理兩個(gè)部分，如下圖4所示。圖的上半部分是過(guò)去的方案，模擬前端部分由收發(fā)器，放大濾波和VCO組成，而處理部分由單片機(jī)加ADC，FPGA和DAC組成。現(xiàn)在的方案將模擬前端集成后變成了3個(gè)芯片，收發(fā)器和VCO，處理部分全部集成在了一顆芯片內(nèi)部，及MPC5775K，實(shí)現(xiàn)了集成度的大幅提升。雷達(dá)套片用于調(diào)頻連續(xù)波的生成和接收，其通過(guò)數(shù)字波束成形，和電子掃描陣列來(lái)對(duì)前方物體的距離進(jìn)行偵測(cè)。其中用到了多普勒頻偏效應(yīng)，由此產(chǎn)生了非常大的計(jì)算量，因此需要處理端有一個(gè)非常強(qiáng)大的處理器來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理。MPC5775K是恩智浦最新一代55nm符合ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的處理器，安全級(jí)別ASIL-D。其包含了兩個(gè)e200z4和兩個(gè)e200z7核 Power架構(gòu)的核心，擁有專屬16K的Icache和Dcache。同時(shí)內(nèi)置了一個(gè)非常特殊的功能單元SPT(信號(hào)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(lái)處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，極大減輕了CPU的處理負(fù)荷。其中也包含了以太網(wǎng)模塊，可以將偵測(cè)到的路況信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給中央處理器。
圖四：恩智浦77G雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)框圖 目前針對(duì)ADAS已經(jīng)有了很多比較接地氣的應(yīng)用，例如遠(yuǎn)程救援，車隊(duì)管理，智能導(dǎo)航，預(yù)約維護(hù)保養(yǎng)，移動(dòng)辦公，車企服務(wù)，客服中心呼叫，汽車防盜，語(yǔ)音控制系統(tǒng)等。都可以基于上述硬件系統(tǒng)或者添加模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。恩智浦也將在已有硬件基礎(chǔ)上提供更多更貼近于產(chǎn)品或市場(chǎng)需求的應(yīng)用的軟件包或者底層驅(qū)動(dòng)，并且在軟件和硬件上加入更多的功能安全要素。這樣開發(fā)人員更專注于應(yīng)用層的開發(fā)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性和用戶體驗(yàn)。 |
