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利用FPGA實現安全的ADAS設計

上網時間: 2015年06月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:先進駕駛輔助系統  ADAS  CPU  FPGA  ASIL-D 

作者:Frank Noha,Altera工業與汽車業務部系統方案工程安全專家

時至今日,基於雷達和攝影機的應用正廣泛被用於實現更安全的駕駛。諸如自動巡航控制和道路偏離警示等先進駕駛輔助系統(ADAS)應用,一開始都還只是非常便利的特性,而今已在汽車的控制上扮演著更積極主動的角色,支援一些像車道維持輔助(LKA)等功能。以往的高性能CPU被認為是最適合這些應用的元件,但在權衡運算性能與低功耗後,促使工程師轉而採用FPGA元件。

ADAS必須符合特殊的功能安全要求。2011年發佈針對載重3.5噸以下客車的ISO26262標準,其目的在於降低因系統故障導致危險情況的風險。這項標準採用嚴密的設計過程,並在應用執行過程偵測隨機的硬體故障,以減少系統性故障。

應用開發人員定義了特定的安全目標,並針對每項目標分配相應的汽車安全完整性層級(ASIL)。應用中最高層級的ASIL通常定義每個元件直至停產(EOL)以前所需遵循的開發與作業要求。圖1顯示從客戶需求角度來看ADAS目前應該符合的ASIL範圍。


圖1:汽車ADAS應用的ASIL市場需求範圍

ASIL-B是市場上的最低層級,但有些應用必須採用ASIL-D以上層級才能支援特定功能。越來越多的ASIL有更嚴格的要求。同樣地,在某些特定建置中,在元件或項目(系統)上產生的ASIL也可能帶來不必要的複雜度,影響了開發的成本和進度。因此,進一步分析這些系統概念,導出安全的概念和要求後,可以把應用分成幾種不同的步驟,使其分別具有不同的ASIL,同時也使其更易於實現有效地建置作業。

例如,前端攝影機應用利用了ADAS中常見的單一影像感測器。圖2顯示系統的高層級處理架構圖。


圖2:單支前端攝影機ADAS的高層級處理

影像感測器連接至影像處理器,如Altera Cyclone V SoC。訊號處理鏈和資料流程被分成四個部份。首先,透過將影像轉換成更實用的表現形式,在畫素級執行底層處理。然後,在線性或塊狀影像上執行中層級處理,利用相應的演算法提取邊緣等特色。接下來執行高層級處理,在訊框基礎上提取資料,用於偵測與分類物件。最後系統必須追蹤物件,如果需要採取措施時,則與煞車或轉向電子控制單元(ECU)進行通訊。

底層和中層級處理可在FPGA上有效地建置,但是用戶也可以在用於Cyclone V SoC硬處理器系統(HPS)的Cortex-A9處理器等CPU上實現某些中層級處理。高層級處理主要在於控制代碼,可映射到HPS中的一個或兩個Cortex-A9。該處理鏈的最後步驟在於物件追蹤與決策,可在外部微控制器上完成這一步。

在整個處理過程中,每一步驟都在於簡化輸入資料組以取得更有意義的資料,而隨著資料減少意味著提高了安全閾值。因此,底層建置可被分成品質管制(QM)或者底層ASIL(如ASIL-A)。原因在於單一畫素期間出現的故障對後續演算法性能的影響很小或可被忽略。在此例中,假設中層級處理符合ASIL-A或ASIL-B,辨識目標並進行分類的高層級處理功能應符合ASIL-B。對物件進行分類後產生目標列表,並提供給微控制器進行物件追蹤和決策。這是訊號鏈最關鍵的部分,應該符合對汽車的行為有直接影響的ASIL-D要求。

在這類應用中,最好能對資料流程進行更全面的分析,每一級的安全臨界定義對整個系統的性能會產生直接影響。對運算級的較早部份投入太高的安全要求,由於對系統整體安全的影響很小,因而可能難以滿足系統性能目標。但是,處理鏈底層也會出現故障,對系統安全功能產生較大的影響。例如,底層處理功能的永久故障導致高層資料永久損害,但是,合理的檢查很容易偵測到這類故障,而且也不至於對於系統性能造成什麼影響。


圖3:單前端攝像機系統實例

(下一頁繼續:更多FPGA實現ADAS設計的安全考慮)


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