Erkundung von Lattice Semiconductor FPGA für digitale Rückspiegel

Die Automobilindustrie erhöht die Fahrsicherheit durch die Ausstattung von Fahrerassistenzsystemen mit fortschrittlichen Sensoren, die in Echtzeit reagieren, eingebettete Hochgeschwindigkeitsverarbeitung und 5G-Konnektivität mit hoher Bandbreite. Die Verwendung von SoCs scheint die logische Lösung für solche Systeme zu sein; sie verlieren jedoch deutlich gegenüber FPGAs, die über die erforderliche Rechenleistung verfügen und die Sicherheitsstandards ASPICE CL2 und ASIL-B erfüllen.

In Autos lösen Mikrocontroller (MCUs) und Anwendungsprozessoren (APs) Rechenaufgaben, und ihre Anzahl kann je nach Fahrzeugklasse zwischen 25 und 70 Einheiten variieren.

Mit der zunehmenden Verbreitung von digitalen Spiegeln und Systemen zur Überwachung des Fahrzustands im Auto besteht die Notwendigkeit, Daten von verschiedenen Sensoren und Kameras innerhalb von ADAS zu verarbeiten. Die fortschrittlichsten Lösungen in diesem Bereich basieren auf KI- und Bildverarbeitungsalgorithmen, die eine relativ hohe Rechenleistung und Anpassungsfähigkeit erfordern.

Der aktuelle Ansatz bei der Entwicklung solcher Lösungen besteht in der Verwendung von System-on-a-Chip (SoC), die jedoch aus verschiedenen Gründen nicht immer den Anforderungen gerecht werden können:

• Es gibt keine Unterstützung für Multisensorsysteme;
   
• Chips erfüllen nicht die Anforderungen von ASPICE CL2 und ASIL-B;
   
• es gibt keine Standards für die Verwendung von Chips in Fahrzeugkonstruktionen;
   
• es herrscht ein allgemeiner Mangel an Chips, was die Freigabe von Lösungen gefährden kann.
   

Es gibt jedoch eine Lösung auf dem Markt, die diese Nachteile nicht aufweist und für die Entwicklung digitaler Spiegel und anderer Multisensorsysteme verwendet werden kann. Und diese Lösung ist der FPGA.

Gemäß der UN-Regelung Nr. 158 über die Genehmigung von Einrichtungen für Kraftfahrzeuge, einschließlich digitaler Rückspiegel, gibt es drei entscheidende Anforderungen bei der Entwicklung von Hardware- und Softwarekomponenten für kamerabasierte ADAS-Plattformen:

1. Eine hohe Geschwindigkeit der Datenverarbeitung, die sich auf die Sicherheit und die Geschwindigkeit der Rückmeldung an die Steuerungssysteme auswirkt.
    
2. Die Rekonfiguration oder die Fähigkeit, das System zu ändern, um neuen Anforderungen gerecht zu werden, ohne das gesamte Modell neu erstellen zu müssen. Dieser Prozess erhöht die Betriebszeit des Systems, ohne es von Modell zu Modell zu ändern.
    
3. Die Konnektivität zwischen mehreren Funktionsbereichen im Auto.
    

Unabhängig von den Vorteilen von FPGAs sind nicht alle für Lösungen im Automobilbereich geeignet. Erstausrüster verlangen, dass die gelieferten elektronischen Systeme neben der funktionalen Sicherheitsnorm ISO 26262 auch andere Branchenspezifikationen erfüllen. Zum Beispiel:

• IATF 16949 definiert die Anforderungen an Qualitätsmanagementsysteme für Unternehmen, die Lösungen für den Automobilbereich entwickeln, herstellen und warten;
   
• AEC-Q100 ist eine Reihe von Normen der Automobilindustrie, die die Qualifikationsanforderungen für integrierte Schaltkreise (ICs) definieren, die in Automobilanwendungen verwendet werden.
   

FPGAs von Lattice erfüllen diese Anforderungen vollständig; sie eignen sich für Automobilsysteme, bei denen die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung und hohe Leistung entscheidend sind. FPGAs ersetzen nicht die MCU und AP, sondern verbinden sie mit Hilfssystemen:

_{FPGA-basierte Automobilanwendungen. Quelle: latticesemi.com}

FPGAs fungieren als Bindeglied zwischen MCUs, APs und Peripheriegeräten und ermöglichen eine nahtlose Kommunikation aufgrund folgender Eigenschaften:

• Einhaltung der funktionalen Sicherheit: ASPICE CL2 und ASIL-B.
   
• Echtzeitverarbeitung von Sensor- und Kameradaten.
   
• Parallele Verarbeitung mehrerer Datenströme.
   
• Flexibilität und Programmierbarkeit: FPGAs ermöglichen schnelle Upgrades und Verbesserungen und ermöglichen neue Funktionen und Algorithmen, wenn sich die Technologie weiterentwickelt.
   
• Geringer Stromverbrauch, was für Elektrofahrzeuge von entscheidender Bedeutung ist.

FPGAs eignen sich aufgrund ihrer Flexibilität und anderer Merkmale für das Design kamerabasierter Fahrerassistenzsysteme. Solche Systeme können die folgenden Funktionen ausführen:

• Fahreridentifikation für den Zugang zu Fahrzeugen;
• Erkennung von Beeinträchtigungen des Fahrers;
   
• Blickerfassung, um zu verhindern, dass der Fahrer während der Fahrt einschläft;
   
• Erfassung von Ablenkungen wie Rauchen und Handynutzung.
   

Darüber hinaus sind Kameras die Grundlage für digitale Autospiegel:

• Intelligente Rückspiegel sind eine auslaufende Technologie, die den traditionellen Rückspiegel mit einem integrierten Display darstellt;
   
• Externer digitaler Rückspiegel: eine Kamera, die sich außen am Heck des Fahrzeugs befindet und das Bild an einen Monitor auf dem Armaturenbrett überträgt;
   
• Vogelperspektiven-Kameraansicht: Ein System mit vier Kameras, das eine Rundumsicht der Position des Fahrzeugs auf der Straße bietet.
   

Zur Entwicklung digitaler Autospiegel verwenden wir maschinelles Sehen und andere KI-Algorithmen. Mit ihrer Hilfe kann das System herannahende Objekte signalisieren, die Geschwindigkeit regulieren und dem Fahrer helfen, in der Spur zu bleiben.

Große Autohersteller bieten digitale Spiegel in einigen Modellen an. Hier sind Beispiele von Lexus, Audi und Honda:

_{Digitaler Seitenspiegel am Lexus ES. Quelle: lexus.co.uk}

_{Ein virtueller Außenspiegel im Audi Q8 e-tron. Quelle: audi-mediacenter.com}

_{Seitenkamerasystem von Honda. Quelle: honda.co.uk}

Digitale Autospiegel sind ein System aus Kameras, die anstelle der herkömmlichen Seitenspiegel montiert werden, und einer Rückfahrkamera, die sich am äußeren Heck moderner Fahrzeuge befindet. Die daraus resultierenden Bilder werden in Echtzeit auf digitalen Displays angezeigt und geben dem Fahrer einen genauen Überblick über die Situation um sein Fahrzeug herum und in toten Winkeln.

Die digitale Anzeige bietet eine klare Sicht, die nicht durch Passagiere auf den Rücksitzen, unzureichendes Licht oder Blendung beeinträchtigt wird. Und dank des FPGA im Herzen des Systems werden die Daten ohne Verzögerung verarbeitet.

Die Bindung an einen Anbieter steht im Widerspruch zum Trend der Disaggregation, die die freie Wahl und Kompatibilität von Fahrzeugteilen verschiedener Anbieter ermöglicht. Und wir bei Promwad helfen unseren Kunden, diese Abhängigkeit und Risiken zu vermeiden, indem wir FPGA-basierte Lösungen entwickeln.

Unser Kunde, ein Anbieter von Rundumsichtsystemen für Automobile, befand sich in einer Vendor-Lock-in-Situation. Die Komponenten seines 360-Grad-Sichtsystems waren nicht mehr erhältlich. Das Promwad-Ingenieurteam wurde mit der Suche nach einer Ersatzkomponente und der Aktualisierung des 360-Grad-Sichtsystems beauftragt, um die Sicherheitsstandards ASPICE CL2 und ASIL-B zu erfüllen.

Als Alternative zu den veralteten Komponenten verwendeten wir ein kostengünstiges Crosslink-NX FPGA von Lattice und einen S32K228-Mikrocontroller von NXP. Die neue Lösung unterstützt MIPI CSI-, MIPI DSI-, CAN- und USB-Schnittstellen.

_{Bild von Promwad: Videostreams von Kameras werden zu einem einzigen Bild kombiniert}

1. die Fähigkeit, in Bildverarbeitungs- und Datenverarbeitungsanwendungen eingesetzt zu werden;
    
2. Unterstützung für die physische D-PHY (PHY)-Schicht, die die MIPI CSI- und DSI-Schnittstellen ermöglicht;
    
3. verfügbare IP-Cores für die Verbindung und Konfiguration von Kameras und Displays.

_{CrossLink-NX VIP-Sensor-Eingangsplatine. Quelle: latticesemi.com}

Bei diesem Designprojekt war es auch wichtig zu berücksichtigen, dass FPGAs für ADAS-Systeme internationale Qualitäts- und Sicherheitsstandards erfüllen müssen. Crosslink-NX ist eine dieser FPGA-Plattformen; sie erfüllt folgende Standards:

• die AEC-Q100-Norm für integrierte Systeme in der Automobilindustrie;
   
• die Spezifikation ISO/TS 16949, die die Anforderungen an ein Qualitätsmanagementsystem für die Automobilzulieferkette definiert.
   

Als Ergebnis erhielt unser Kunde ein Allround-Kamerasystem, das den Sicherheitsstufen ASPICE CL2 und ASIL-B entspricht. Und dank unserer Partnerschaft mit Lattice konnten wir den Ingenieuren unseres Kunden umfassenden technischen Support und Zugang zu den erforderlichen Unterlagen bieten.

***

FPGAs ermöglichen eine schnelle Datenverarbeitung, schonen die Ressourcen des Hauptprozessors und sind programmierbar, um den Systemanforderungen gerecht zu werden. Die Vorteile von FPGAs machen sie zu einer geeigneten Lösung für ADAS-Systeme, einschließlich intelligenter Autospiegel, die die Sicht hinter einem Fahrzeug verbessern können.

Die FPGA-basierten Entwicklungsdienstleistungen von Lattice sind eine unserer Kernkompetenzen, und unser Portfolio umfasst viele Projekte mit FPGAs für verschiedene Branchen. Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, wenn Sie für Ihr Projekt technische Unterstützung benötigen!