改搭可編程FPGA SoC ADAS系統(tǒng)性故障銳減

基于雷達(dá)(RADAR)和攝影機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用正大舉進(jìn)駐汽車駕駛安全領(lǐng)域。最初，自適應(yīng)巡航控制和道路偏離警報(bào)等先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)只是一些非常便利的功能，而現(xiàn)在，它們?cè)谲囕v控制上扮演更積極主動(dòng)的角色，支持實(shí)現(xiàn)車道維持輔助(LKA)等功能。以前的高性能中央處理器(CPU)被認(rèn)為是最適合這些應(yīng)用的組件，但車廠須要綜合考慮運(yùn)算性能和低功率消耗，這促使工程師轉(zhuǎn)向采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)組件。

ADAS須要滿足特殊的功能安全要求。在2011年，ISO發(fā)布針對(duì)載重3.5噸以下客車的ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，以降低系統(tǒng)出現(xiàn)故障后造成危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求采用嚴(yán)密的設(shè)計(jì)過(guò)程，在應(yīng)用執(zhí)行過(guò)程中探測(cè)隨機(jī)硬件故障，以減少系統(tǒng)性故障。

提升ADAS功能安全　FPGA SoC受青睞

應(yīng)用開發(fā)人員定義了專門的安全目標(biāo)，針對(duì)每個(gè)目標(biāo)分配相應(yīng)的汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)。對(duì)于應(yīng)用中最高級(jí)別的ASIL-D，通常定義了每一個(gè)組件從開發(fā)直至運(yùn)作到壽命終了時(shí)應(yīng)滿足的要求。圖1顯示了從客戶需求角度來(lái)看，ADAS應(yīng)符合的ASIL目前的范圍。

圖1　ADAS所需ASIL規(guī)范等級(jí)

ASIL-B是市場(chǎng)上的最低級(jí)別，而某些應(yīng)用則要求采用ASIL-D，以支持某些功能。越來(lái)越多的ADAS應(yīng)用對(duì)ASIL有更嚴(yán)格的要求。在某些具體實(shí)現(xiàn)中，組件的通用ASIL或者項(xiàng)目(系統(tǒng))等級(jí)都會(huì)帶來(lái)不必要的復(fù)雜度，影響開發(fā)成本和進(jìn)度。分析系統(tǒng)概念，得出安全概念和要求后，還可以把應(yīng)用分成幾種不同的步驟，具有不同的ASIL，如此一來(lái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)則可更容易實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)現(xiàn)的效率更高。

例如，前方攝影機(jī)應(yīng)用使用ADAS中常見(jiàn)的一個(gè)影像傳感器，如圖2顯示的高階結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)影像傳感器連接至圖像處理器，該處理器可以是Altera Cyclone FPGA系統(tǒng)單芯片(SoC)或其他方案。訊號(hào)處理鏈路和數(shù)據(jù)流被分成四個(gè)部分。首先，透過(guò)把影像變換成更實(shí)用的表現(xiàn)方式，在像素層級(jí)上進(jìn)行底層處理。然后，對(duì)影像或者區(qū)塊圖像進(jìn)行中間層級(jí)處理，使用相應(yīng)的算法，提取出邊緣等特征。下一步，則會(huì)進(jìn)行高階處理，提取出每一個(gè)圖幀的數(shù)據(jù)，探測(cè)目標(biāo)并進(jìn)行分類。然后，系統(tǒng)會(huì)追蹤目標(biāo)，如果需要采取措施，則與煞車或者轉(zhuǎn)向引擎控制單元(ECU)進(jìn)行通訊。

圖2　高階單一前方攝影機(jī)ADAS

除了能夠在FPGA上非常高效率的實(shí)現(xiàn)底層和中間層級(jí)處理，用戶也可以在Cyclone V系列FPGA SoC硬式核心處理器系統(tǒng)(HPS)的Cortex-A9等處理核心實(shí)現(xiàn)某些中間層級(jí)處理。高階處理主要是句柄，可以映像到HPS中的一個(gè)或者兩個(gè)Cortex-A9上。處理鏈路的最后一步是目標(biāo)追蹤和判斷，可以在外部微控制器(MCU)上完成這一個(gè)步驟。

在整個(gè)處理過(guò)程中，工程師可將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以得到更有意義的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)減少意味提高安全臨界值。因此，底層實(shí)現(xiàn)可以分成質(zhì)量管理(QM)或底層ASIL(例如ASIL-A)。會(huì)這樣做的原因是因?yàn)閱我粋€(gè)像素期間出現(xiàn)的故障對(duì)后續(xù)算法的性能影響很小，因此可以忽略。在這個(gè)例子中，假設(shè)中間層級(jí)處理符合ASIL-A或ASIL-B，識(shí)別目標(biāo)并進(jìn)行分類的高階處理功能應(yīng)符合ASIL-B。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類后，會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)表，并提供給微控制器，進(jìn)行目標(biāo)追蹤和判斷。這是訊號(hào)鏈路最關(guān)鍵的部分，我們認(rèn)為它應(yīng)該符合ASIL-D，這對(duì)汽車的行為有直接影響。

實(shí)現(xiàn)分級(jí)安全處理　FPGA兼顧設(shè)計(jì)可靠度/效率

在這類應(yīng)用中，最好對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行更全面的分析，每一個(gè)層級(jí)的安全臨界定義對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生直接影響。對(duì)前面運(yùn)算層級(jí)有太高的安全要求會(huì)導(dǎo)致難以滿足系統(tǒng)性能目標(biāo)，而且對(duì)系統(tǒng)整體安全的影響很小。不過(guò)，處理鏈路底層也會(huì)出現(xiàn)故障，對(duì)系統(tǒng)安全功能產(chǎn)生較大的影響，例如，底層處理功能的永久故障會(huì)導(dǎo)致高層上的數(shù)據(jù)永久損害，透過(guò)合理性檢查很容易探測(cè)到這類故障，對(duì)系統(tǒng)性能的影響相對(duì)較小。

圖3顯示單一前方攝像機(jī)系統(tǒng)實(shí)例的高階結(jié)構(gòu)圖。由一個(gè)外部電源管理電路為Cyclone V SoC提供電源，當(dāng)供電電壓不在額定運(yùn)作范圍內(nèi)時(shí)，單獨(dú)的電壓監(jiān)控功能會(huì)產(chǎn)生重置，外部非揮發(fā)性內(nèi)存連接至四路串行周邊接口(Quad SPI)模塊，系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中加載應(yīng)用程序，配置FPGA時(shí)會(huì)使用這些模塊。我們使用雙倍數(shù)據(jù)率(DDR)內(nèi)存來(lái)執(zhí)行應(yīng)用程序代碼、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和影像圖幀，透過(guò)SPI連接外部微控制器，進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和最終判斷，并利用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)接口與汽車底盤的其他部分進(jìn)行通訊。

圖3　單一前方攝影機(jī)系統(tǒng)實(shí)例

此應(yīng)用所使用的圖像處理器模塊如圖4所示。視訊端口接收來(lái)自影像傳感器的數(shù)據(jù)，將其傳送至圖像處理模塊，這一個(gè)模塊相當(dāng)于底層圖像處理層級(jí)，在這個(gè)例子中，數(shù)據(jù)透過(guò)圖像處理模塊后，通過(guò)FPGA至HPS(F2H)橋接被寫入到DDR內(nèi)存中，也可以傳送至下一層級(jí)，實(shí)現(xiàn)的效率更高。第二級(jí)是中間層級(jí)處理，由各種圖像處理模塊來(lái)完成，透過(guò)HPS至FPGA(H2F)橋接讀出以前儲(chǔ)存在DDR內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，再次將其寫入到DDR內(nèi)存中。在這個(gè)例子中，由HPS完成高階處理層級(jí)。

圖4　Cyclone V SoC電路架構(gòu)圖

發(fā)揮可編程效益　FPGA全方位探測(cè)系統(tǒng)故障

接下來(lái)的段落將說(shuō)明用于探測(cè)設(shè)計(jì)中，不同區(qū)域是否有故障的診斷功能。一些診斷功能能夠探測(cè)到永久故障，而有的只能探測(cè)到暫時(shí)性故障，也有的能探測(cè)各種故障。暫時(shí)性故障是一種出現(xiàn)后又消失的故障，對(duì)于這一類情形，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)某些功能時(shí)內(nèi)存中出現(xiàn)的故障，以及實(shí)現(xiàn)功能時(shí)邏輯中可能出現(xiàn)的故障。

在應(yīng)用軟件使用影像傳感器之前，工程師應(yīng)對(duì)其進(jìn)行配置，在應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中不斷修改配置以適應(yīng)不同的光線條件。影像傳感器對(duì)于應(yīng)用操作非常關(guān)鍵，因此，建議在容錯(cuò)時(shí)間間隔(FTTI)期間對(duì)其配置至少進(jìn)行一次檢查，這并不一定能覆蓋傳感器所有可能的故障，但可以管理好配置緩存器組(表1)。