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這些車輛的電子系統不僅應滿足功能要求，而且還要確保在汽車的整個使用壽命期間無缺陷和故障地安全運行。這些系統中使用的部件必須滿足或超過汽車電子協會（AEC）等各種工業團體規定的可靠性標準。安全性關鍵的汽車應用還應能夠防止這些系統功能因為任何未授權訪問、篡改或破壞而被改變并導致災難性結果（包括人命傷亡）。

 

汽車工業正經歷重大的結構化轉變。自主駕駛革命增加了電子系統的復雜性和縮短了設計周期。隨著人們對安全和燃油效率的關注增加，混合動力車輛和電動車輛的勢頭越來越猛。

 

這些車輛的電子系統不僅應滿足功能要求，而且還要確保在汽車的整個使用壽命期間無缺陷和故障地安全運行。這些系統中使用的部件必須滿足或超過汽車電子協會（AEC）等各種工業團體規定的可靠性標準。安全性關鍵的汽車應用還應能夠防止這些系統功能因為任何未授權訪問、篡改或破壞而被改變并導致災難性結果（包括人命傷亡）。

 

 

汽車創新和技術進步正推動配置安全解決方案、減少相關安全威脅的需求。雖然包括高級駕駛輔助系統（ADAS）、車輛連接性和自主駕駛等先進特性對車輛的舒適性和安全性水平做出了重大貢獻，但它們也使車輛更容易遭受黑客攻擊和各種安全威脅。

 

例如，V2V/V2I通信系統采用專用車載短程通信系統，使車輛能夠將安全相關信息發送到其它車輛和從其它車輛接受此類信息。所有V2V/V2I信息都來源于值得信任的來源，并且應有安全防護措施，確保信息未在發送和接收之間被篡改，這是非常重要的。如果車輛之間未建立值得信任且安全的通信，后果會非常嚴重。共享信息和車內通信使用的增加，也使汽車容易受到黑客攻擊。此外，使用者關心隱私問題，要求保證信息不會泄露駕駛員的身份或位置信息。匿名車輛的安全信息應只提供給預先授權的車輛和其它機構。

 

一些FPGA集成了多種安全特征，如差異化功率分析（DPA）保護、加密加速器、高級加密標準（AES）、安全散列算法（SHA）、篡改檢測器、物理不可克隆功能（PUF）等，可以提供硬件、設計和數據水平的安全，從而實施安全的汽車解決方案。

 

 

ADAS是提供被動和主動反饋以改善駕駛員安全性和舒適感的電子系統。它們是預測性系統，針對潛在危險提供預先報警，以防止事故。由于消費者安全意識增加及政府法規規定，這些系統正日益被OEM采納。ADAS的各種特征包括自適應巡航控制、盲點預警、偏道警告、避碰和行人檢測系統。ADAS以復雜的傳感器配置為基礎，傳送信息如速度、溫度、物體存在性、信號和車道檢測至處理和控制裝置。這些輸入經過處理，實現圖像增強、畸變校正、物體識別和運動估計，然后，經分析后，采取糾正措施。控制系統接收處理過的輸入，控制輸出，如剎車或向駕駛員報警。ADAS必須堅守其功能以避免事故，因此，需要安全的，帶有失效保護的實施方案。FPGA能夠實施數據處理和顯示功能，提供可靠安全的解決方案。

 

采用車載專用短程無線電通信器件，V2X通信系統將有關安全的信息傳輸到其它車輛（圖1）。這些信息包括有關車輛速度、方向、剎車狀態和尺寸。這些系統還接收有關其它車輛的相同信息。配備V2X的車輛由于能夠通過其它車輛獲得更遠的檢測距離及“看到”周圍環境，因此能夠以比傳感器、攝像頭或雷達快很多的速度“意識”到其它車輛的存在，并向其它駕駛員預警某些威脅。

 

圖1：車輛連接性：V2X (V2V和V2I)

 

但是，如果V2X系統無法確保信息來自于值得信任的來源，且它們并未在發送和接收之間被篡改，則可能出現嚴重的后果，包括人命傷亡。FPGA采用對稱或不對稱加密技術，產生公鑰基礎設施（PKI）系統的私鑰，能夠為V2X實施安全的通信系統（圖2）。

 

圖2：FPGA可以為V2X實施安全的通信系統

 

燃油價格持續飆升、近期有關碳排放的法律規定、客戶對更好性能和質量的要求，正迫使汽車工業提供更好的內燃機替代方案。向顧客提供各種選擇方案，包括混合、插電式混合動力和全電動方案的動力系統電氣化，已經成為趨勢（圖3）。汽車電子在這種電氣化中起著非常重要的作用，從而導致了新的復雜的發動機控制單元面世。混合/電動發動機控制單元在以下方面使得設計人員面臨挑戰：

 

 

閃存FPGA的優點有可重編程性、安全性、可靠性、硬件配置性及延展性溫度支持，使設計人員能夠應對前面提到的挑戰。

 

圖3：混合、插電式混合和全電動車輛提供更好的內燃機替代方案

 

 

隨著復雜性不斷增加和對駕駛員安全的不斷重視，邏輯上FPGA正日益適合新一代汽車系統。支持汽車應用采用FPGA的因素有幾個。

 

 

FPGA能夠并行運行多種功能，在ADAS、智能停車輔助系統和功率控制系統（電動車）等應用中提供巨大的優勢。這些應用涉及同時處理不同類型的數據，同時向駕駛員反饋，或產生多種控制功能信號。例如，ADAS和智能停車輔助系統應用要求同時處理來自多個來源，如攝像頭、傳感器等的數據。處理IP可以在FPGA架構中實施，使單臺器件可以同時執行多種功能。大多數FPGA還擁有集成外設內核，能夠實施通常使用的功能，如控制器局域網通信（CAN）。這些外設內核經優化，可與各種輸入信號并行處理一起使用。

 

 

現代汽車包括控制和監測各種功能的多個處理裝置和傳感器。包括ADAS、V2V/V2I和停車輔助系統的應用顯著改善了汽車使用者的安全性，但是，這些先進的特點也帶來了新的潛在風險。建立安全系統的重要一步是確保系統不受惡意篡改攻擊。現在的FPGA擁有幾項集成安全特征，如高級加密加速器、AES、SHA、橢圓曲線密碼體制（ECC）、安全比特流、PKI和防DPA，所有這些特征使FPGA能夠構建安全系統。

 

另一個設計汽車系統的重要條件是需要連續運行幾年而不受環境影響（如單粒子翻轉（SEU））的高可靠系統。閃存FPGA基于閃存架構，因而對SEU免疫，提供零失效（FIT）率，應對汽車應用的高可靠性要求，極大地簡化了此類關鍵系統的冗余要求和改進了可靠性。

 

 

現在，汽車制造商偏愛基于平臺的實施，即以某種設計為基礎，將其進行適度修改，形成各個型號的差異化方案。。這種方法使汽車制造商縮短了設計周期和引入了新的特征。

 

FPGA帶有編程性和廣泛資源，因而是建立平臺解決方案的理想選擇。由于FPGA可以編程，使得汽車制造商能夠在最后一分鐘修改設計，但并不會顯著延長上市時間，是一個出色的選擇方案。

 

 

汽車設計周期正變得越來越短，推動頂級公司不僅要快速建立設計原型，而且要滿足性能水平的要求。FPGA擁有可編程的靈活架構，提供了開發原型、評價性能和設計定型的理想平臺。

 

 

安全性和可靠性是汽車應用重點關注的問題，汽車系統需要滿足該行業主流的高可靠性和安全性法規。美高森美公司提供擁有可靠性和安全性特征的汽車級（AEC-Q100）SmartFusion2 SoC FPGA和IGLOO2 FPGA。SmartFusion2和IGLOO2是功耗和成本優化的產品，為汽車客戶提供最低總擁有成本。

 

美高森美應對汽車應用設計人員面臨的基本挑戰，提供（圖4）：

 

 

 

本文轉載自電子技術設計。