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实施安全可靠的汽车应用FPGA解决方案


作者:本站收录 来源:EDN 电子设计 2017-08-02 10:44:09
摘要:汽车工业正经历重大的结构化转变。自主驾驶革命增加了电子系统的复杂性和缩短了设计周期。随着人们对安全和燃油效率的关注增加,混合动力车辆和电动车辆的势头越来越猛。
关键词:汽车应用FPGA

  这些车辆的电子系统不仅应满足功能要求,而且还要确保在汽车的整个使用寿命期间无缺陷和故障地安全运行。这些系统中使用的部件必须满足或超过汽车电子协会(AEC)等各种工业团体规定的可靠性标准。安全性关键的汽车应用还应能够防止这些系统功能因为任何未授权访问、篡改或破坏而被改变并导致灾难性结果(包括人命伤亡)。

  汽车工业正经历重大的结构化转变。自主驾驶革命增加了电子系统的复杂性和缩短了设计周期。随着人们对安全和燃油效率的关注增加,混合动力车辆和电动车辆的势头越来越猛。

  这些车辆的电子系统不仅应满足功能要求,而且还要确保在汽车的整个使用寿命期间无缺陷和故障地安全运行。这些系统中使用的部件必须满足或超过汽车电子协会(AEC)等各种工业团体规定的可靠性标准。安全性关键的汽车应用还应能够防止这些系统功能因为任何未授权访问、篡改或破坏而被改变并导致灾难性结果(包括人命伤亡)。

  安全性:对汽车设计非常关键

  汽车创新和技术进步正推动配置安全解决方案、减少相关安全威胁的需求。虽然包括高级驾驶辅助系统(ADAS)、车辆连接性和自主驾驶等先进特性对车辆的舒适性和安全性水平做出了重大贡献,但它们也使车辆更容易遭受黑客攻击和各种安全威胁。

  例如,V2V/V2I通信系统采用专用车载短程通信系统,使车辆能够将安全相关信息发送到其它车辆和从其它车辆接受此类信息。所有V2V/V2I信息都来源于值得信任的来源,并且应有安全防护措施,确保信息未在发送和接收之间被篡改,这是非常重要的。如果车辆之间未建立值得信任且安全的通信,后果会非常严重。共享信息和车内通信使用的增加,也使汽车容易受到黑客攻击。此外,使用者关心隐私问题,要求保证信息不会泄露驾驶员的身份或位置信息。匿名车辆的安全信息应只提供给预先授权的车辆和其它机构。

  一些FPGA集成了多种安全特征,如差异化功率分析(DPA)保护、加密加速器、高级加密标准(AES)、安全散列算法(SHA)、篡改检测器、物理不可克隆功能(PUF)等,可以提供硬件、设计和数据水平的安全,从而实施安全的汽车解决方案。

  安全关键的汽车应用

  高级驾驶辅助系统(ADAS)

  ADAS是提供被动和主动反馈以改善驾驶员安全性和舒适感的电子系统。它们是预测性系统,针对潜在危险提供预先报警,以防止事故。由于消费者安全意识增加及政府法规规定,这些系统正日益被OEM采纳。ADAS的各种特征包括自适应巡航控制、盲点预警、偏道警告、避碰和行人检测系统。ADAS以复杂的传感器配置为基础,传送信息如速度、温度、物体存在性、信号和车道检测至处理和控制装置。这些输入经过处理,实现图像增强、畸变校正、物体识别和运动估计,然后,经分析后,采取纠正措施。控制系统接收处理过的输入,控制输出,如刹车或向驾驶员报警。ADAS必须坚守其功能以避免事故,因此,需要安全的,带有失效保护的实施方案。FPGA能够实施数据处理和显示功能,提供可靠安全的解决方案。

  采用车载专用短程无线电通信器件,V2X通信系统将有关安全的信息传输到其它车辆(图1)。这些信息包括有关车辆速度、方向、刹车状态和尺寸。这些系统还接收有关其它车辆的相同信息。配备V2X的车辆由于能够通过其它车辆获得更远的检测距离及“看到”周围环境,因此能够以比传感器、摄像头或雷达快很多的速度“意识”到其它车辆的存在,并向其它驾驶员预警某些威胁。

  图1:车辆连接性:V2X (V2V和V2I)

  但是,如果V2X系统无法确保信息来自于值得信任的来源,且它们并未在发送和接收之间被篡改,则可能出现严重的后果,包括人命伤亡。FPGA采用对称或不对称加密技术,产生公钥基础设施(PKI)系统的私钥,能够为V2X实施安全的通信系统(图2)。

  图2:FPGA可以为V2X实施安全的通信系统

  燃油价格持续飙升、近期有关碳排放的法律规定、客户对更好性能和质量的要求,正迫使汽车工业提供更好的内燃机替代方案。向顾客提供各种选择方案,包括混合、插电式混合动力和全电动方案的动力系统电气化,已经成为趋势(图3)。汽车电子在这种电气化中起着非常重要的作用,从而导致了新的复杂的发动机控制单元面世。混合/电动发动机控制单元在以下方面使得设计人员面临挑战:

  • 集成各种部件

  • 配置简单

  • 平台扩展性和迁移性

  • 中子误差免疫性

  • 防篡改和复制安全性

  • 低功耗

  • 应用总成本

  闪存FPGA的优点有可重编程性、安全性、可靠性、硬件配置性及延展性温度支持,使设计人员能够应对前面提到的挑战。

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  图3:混合、插电式混合和全电动车辆提供更好的内燃机替代方案

  汽车应用FPGA:优点

  随着复杂性不断增加和对驾驶员安全的不断重视,逻辑上FPGA正日益适合新一代汽车系统。支持汽车应用采用FPGA的因素有几个。

  多线程和并行处理能力

  FPGA能够并行运行多种功能,在ADAS、智能停车辅助系统和功率控制系统(电动车)等应用中提供巨大的优势。这些应用涉及同时处理不同类型的数据,同时向驾驶员反馈,或产生多种控制功能信号。例如,ADAS和智能停车辅助系统应用要求同时处理来自多个来源,如摄像头、传感器等的数据。处理IP可以在FPGA架构中实施,使单台器件可以同时执行多种功能。大多数FPGA还拥有集成外设内核,能够实施通常使用的功能,如控制器局域网通信(CAN)。这些外设内核经优化,可与各种输入信号并行处理一起使用。

  实施安全可靠的解决方案

  现代汽车包括控制和监测各种功能的多个处理装置和传感器。包括ADAS、V2V/V2I和停车辅助系统的应用显著改善了汽车使用者的安全性,但是,这些先进的特点也带来了新的潜在风险。建立安全系统的重要一步是确保系统不受恶意篡改攻击。现在的FPGA拥有几项集成安全特征,如高级加密加速器、AES、SHA、椭圆曲线密码体制(ECC)、安全比特流、PKI和防DPA,所有这些特征使FPGA能够构建安全系统。

  另一个设计汽车系统的重要条件是需要连续运行几年而不受环境影响(如单粒子翻转(SEU))的高可靠系统。闪存FPGA基于闪存架构,因而对SEU免疫,提供零失效(FIT)率,应对汽车应用的高可靠性要求,极大地简化了此类关键系统的冗余要求和改进了可靠性。

  汽车设计向平台概念转变

  现在,汽车制造商偏爱基于平台的实施,即以某种设计为基础,将其进行适度修改,形成各个型号的差异化方案。。这种方法使汽车制造商缩短了设计周期和引入了新的特征。

  FPGA带有编程性和广泛资源,因而是建立平台解决方案的理想选择。由于FPGA可以编程,使得汽车制造商能够在最后一分钟修改设计,但并不会显著延长上市时间,是一个出色的选择方案。

  缩短汽车设计周期

  汽车设计周期正变得越来越短,推动顶级公司不仅要快速建立设计原型,而且要满足性能水平的要求。FPGA拥有可编程的灵活架构,提供了开发原型、评价性能和设计定型的理想平台。

  在汽车中实现高可靠性和安全性

  安全性和可靠性是汽车应用重点关注的问题,汽车系统需要满足该行业主流的高可靠性和安全性法规。美高森美公司提供拥有可靠性和安全性特征的汽车级(AEC-Q100)SmartFusion2 SoC FPGA和IGLOO2 FPGA。SmartFusion2和IGLOO2是功耗和成本优化的产品,为汽车客户提供最低总拥有成本。

  美高森美应对汽车应用设计人员面临的基本挑战,提供(图4):

  • 高可靠性,确保零缺陷(单粒子翻转免疫零FIT率)

  • 数据和连接安全的业界最佳安全性

  • 由拥有高可靠性可信任供应商提供的供应保证

  • 满足或超过AEC-Q100要求的汽车级器件

  • 工程客户支持团队

  • 汽车质量和故障分析团队

  • 访问TS16949认证晶圆厂和装配工厂

  • 广泛的高可靠性传承

  • 实现最佳功率效率的低功耗

  • 最低拥有成本

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