利用FPGA 平台构建汽车驾驶辅助系统算法

作者：Daniele Bagni，赛灵思公司 DSP 专家 联系方式： daniele.bagni@xilinx.com
Roberto Marzotto，Embedded Vision Systems (eVS) S.r.l.设计工程师 联系方式： roberto.marzotto@evsys.net
Paul Zoratti，赛灵思公司汽车高级系统架构师 联系方式： paul.zoratti@xilinx.com
System Generator for DSP 是一款具有高抽象层的设计工具，为算法开发人员和系统架构师从 Simulink 算法参考模型过渡到 FPGA 硬件实施技术提供了一种高效的途径，且无需任何HDL 编码工作。

汽车驾驶辅助系统这一新兴市场需要高性能数字信号处理技术，同时还要降低器件成本，这样才能满足大规模应用的需求。赛灵思 FPGA 器件提供了适当的平台，能够满足上述这对互相矛盾的要求。即便是不熟悉 FPGA 实施方法的算法设计人员也不必担心从PC 算法模型转向 FPGA 硬件原型设计时的复杂性。

赛灵思推出了一款工具 System Generator for DSP，为算法开发人员和系统架构师从 Simulink® PC 模型转向实时 FPGA 硬件实施技术提供了一种高效、直观的方法。这种具有高抽象层的设计工具在赛灵思和eVS 工程师联合开展的设计项目中发挥了关键作用。该项目的目标就是利用 System Generator for DSP 推出一款适用于采用 Xilinx FPGA 的汽车车道偏离警告系统的图形处理算法，旨在提高整体性能，降低成本，并缩短开发时间。

驾驶辅助系统开发面临的挑战

汽车驾驶辅助 (DA) 系统工程师通常使用 PC 模型来创建复杂的处理算法，以便实现高度可靠的自适应巡航控制、车道偏离警告及行人检测等功能。开发人员高度重视 PC 算法模型，因为这种模型使他们能够尝试使用并快速评估不同的处理算法。不过，说到底，我们还是需要一款合理设计的电子硬件解决方案，来实现经济有效的大规模生产与部署。

验证可部署目标硬件与软件算法模型之间的算法性能一致性，这对许多开发人员来说都是个问题。从浮点转到定点计算（比如，三角函数采用的不同方法）有时会导致参考软件算法和硬件实施模型之间出现明显差异。另外，输入图案资料集群 (input stimulus) 有着很大的不确定性，这对 DA 系统开发人员来说，使验证算法性能一致性工作变得更加复杂。

对通常依赖远程感应装置（摄像头、雷达等）的输入的 DA 系统来说，输入信息来就是驾驶员在实际行车中可能遇到的各种路况和环境条件。工程师会发现，设计一款充分满足所有情况需求的处理算法极具挑战性，而且验证软件模型与电子硬件实施之间的算法性能一致性至关重要。

对涉及图形处理的许多应用来说，赛灵思 Spartan®-3 FPGA 器件的并行资源相对于 VLIW DSP 平台而言性价比更高（参见我们发表于Xcell Journal 第 63 期上的文章：）。不过，一些系统设计人员仍然误以为 FPGA 编程的唯一方法就是采用VHDL 这种硬件描述语言，而许多工程师并不了解这种语言。但事实上，FPGA 编程不一定非得采用硬件描述语言不可。我们的设计方法则采用了 Simulink 建模工具和赛灵思 System Generator for DSP FPGA 综合工具，不仅能轻松、有效地实施 FPGA 设计，而且还能采用软硬件协同仿真加速算法一致性测试。此外，设计人员使用 System Generator 也不一定非得熟悉 HDL 不可。

车道偏离警告模型简介
车道偏离警告 (LDW) 系统的总体功能就是在车辆无意中偏离正在行驶的车道时提醒驾驶员。安装该系统的车辆前安放摄像头，可捕获到路况图形，以识别出车道边界标志。车道偏离警告系统持续跟踪车道标线以及车辆相对于车道标线的位置。如果车辆越过了车道标线，那么系统就会发出警告。

汽车产业和学术界普遍采用 MATLAB® 和 Simulink 作为算法和系统级设计工具。尤其是 Simulink 具有高抽象层，而且提供图形化输入，因此能帮助汽车算法工程师轻松快速地开发出复杂的 DSP 算法。

图 1 显示了 LDW 系统模型的顶层方框图，该模型就是用 Simulink 设计而成。标记为车道检测的绿色块包括图形预处理子系统，图 2 中将给出该子系统的各处理步骤。车道检测功能旨在提取出最有可能代表车道标线的路况图形。

System Generator 中车道检测演示测试基准