汽車(chē)電子電氣工程化設(shè)計(jì)技術(shù)

目前，人們對(duì)于汽車(chē)性能要求的提高以及政府部門(mén)的限制性措施，導(dǎo)致典型的汽車(chē)機(jī)電系統(tǒng)平均數(shù)目已經(jīng)從4個(gè)增加到了20個(gè)，而一些高端豪華轎車(chē)基于復(fù)雜的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)甚至已經(jīng)整合了80機(jī)電一體化系統(tǒng)。同時(shí)，這些ECU在整車(chē)中所占的成本也迅速上升，2004年這個(gè)比例已經(jīng)達(dá)到23％，預(yù)測(cè)2010年將達(dá)到40％。因此不難發(fā)現(xiàn)，以提高整車(chē)系統(tǒng)電子化水平、確保質(zhì)量可靠性、提升效率、控制成本、確保研發(fā)進(jìn)度等為目的的汽車(chē)電子電氣設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)和環(huán)境平臺(tái)建設(shè)，成為贏得未來(lái)汽車(chē)市場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的重要因素。

汽車(chē)電子電氣架構(gòu)中機(jī)電一體化子系統(tǒng)的迅速增加，極大推動(dòng)了汽車(chē)復(fù)雜性的提升。電子電氣子系統(tǒng)在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，而且其設(shè)計(jì)整合了多門(mén)工程學(xué)科，需要面向硬件、軟件、機(jī)械等及其相互交織而導(dǎo)致的復(fù)雜問(wèn)題的解決方案。

所以，汽車(chē)廠商同時(shí)面臨來(lái)自幾個(gè)方面的嚴(yán)峻考驗(yàn)：電子電氣系統(tǒng)的數(shù)量和復(fù)雜性快速提升，研發(fā)周期不斷縮減，新車(chē)型的發(fā)布提速，研發(fā)預(yù)算降低，質(zhì)量成本迅速攀升。

汽車(chē)電子電氣設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)介紹

隨著多路技術(shù)的引入，ECU與子系統(tǒng)之間的通訊和相互作用迅速增多，汽車(chē)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)過(guò)程就變得異常復(fù)雜。汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程主要分為兩個(gè)部分：

·單個(gè)ECU和汽車(chē)部件的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。
·完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、整合和驗(yàn)證。

電控單元設(shè)計(jì)技術(shù)

芯片設(shè)計(jì)技術(shù)

芯片的設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：首先是FPGA或是FPSoC的設(shè)計(jì)，其次是定制IC的設(shè)計(jì)，第三是ASIC以及SoC的設(shè)計(jì)。

基于對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度、研發(fā)進(jìn)度、研發(fā)成本以及芯片量產(chǎn)規(guī)模等的預(yù)測(cè)，ECU可能要對(duì)芯片的實(shí)現(xiàn)模式作出決策。首先是芯片實(shí)現(xiàn)的功能以及芯片需要集成的內(nèi)容，如果芯片需要整合模擬電路、數(shù)?；旌想娐飞踔潦巧漕l電路，那么必須采用定制IC或者數(shù)模混合IC的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；如果芯片所需要集成和整合的內(nèi)容全部是數(shù)字邏輯電路，那么FPGA、ASIC就成為可能的選擇。其次是研發(fā)投入以及研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)方面的考慮，IC／ASIC的研發(fā)投入較高，投入成本和風(fēng)險(xiǎn)都較大，SoC在研發(fā)投入和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)方面就更高，而FPGA在這些方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。第三是從芯片可能的量產(chǎn)規(guī)模來(lái)考慮，IC／ASIC／SoC顯然適合規(guī)?；慨a(chǎn)，而FPGA在大規(guī)模量產(chǎn)(通常認(rèn)為大于1萬(wàn)片以上的規(guī)模)的情況下具有成本上的劣勢(shì)。第四是研發(fā)的進(jìn)度，IC／ASIC研制周期較長(zhǎng)，SoC研制周期更長(zhǎng)，F(xiàn)PGA研制周期則很短。

PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

ECU系統(tǒng)最終物化為一組互連的PCB板，因而PCB的設(shè)計(jì)、仿真分析以及生產(chǎn)加工制造就成為ECU研發(fā)的重要一環(huán)。由于新器件性能的提高，PCB上的高速電路問(wèn)題日益突出，影響到ECU系統(tǒng)的性能和可靠性，直接表現(xiàn)為設(shè)計(jì)的ECU系統(tǒng)通常不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。常見(jiàn)現(xiàn)象主要有：設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只能工作在比設(shè)計(jì)規(guī)格低的時(shí)鐘頻率以及數(shù)據(jù)傳輸率上；需要嚴(yán)格篩選元器件，ECU系統(tǒng)才能正常工作；設(shè)計(jì)需要返工等。徹底解決這些問(wèn)題需要長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的積累，以及嚴(yán)格規(guī)范的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)平臺(tái)。

HDI(高密度互聯(lián))PCB設(shè)計(jì)支持微過(guò)孔技術(shù)、埋盲孔技術(shù)等，可以迅速提升設(shè)計(jì)PCB的密度，縮小產(chǎn)品的面積、體積和功耗。而且在一些特殊的領(lǐng)域中也有重要的應(yīng)用，如在依靠電池供電強(qiáng)調(diào)低功耗、體積小、重量輕的ECU系統(tǒng)中，這一點(diǎn)是非常重要的。

二次集成的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

二次集成的模塊化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)工程師從事部分特殊電路芯片的研發(fā)，如符合特定應(yīng)用需求的接口電路、驅(qū)動(dòng)電路等，再將研發(fā)出的這部分電路芯片的裸片連同從行業(yè)采購(gòu)的CPU裸片、ADC裸片等通過(guò)MCM(多芯片模塊)或者混合電路的模式進(jìn)行二次集成。

二次集成的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)在小型化、質(zhì)量可靠性、高頻特性、散熱等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因而應(yīng)用范圍很廣泛。

電氣系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)

機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常包括混合的模擬和數(shù)字電路，也包括機(jī)械、電磁以及其它的多種物理成分。與此同時(shí)，用來(lái)控制這些系統(tǒng)的嵌入式軟件也越來(lái)越多，并且越來(lái)越復(fù)雜。

目前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常包括創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框圖和傳遞函數(shù)，而忽略了具體的物理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。因而這樣的虛擬環(huán)境不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，必須等到實(shí)際的物理硬件已經(jīng)就緒方可進(jìn)行。這種處理方法容易導(dǎo)致無(wú)法預(yù)測(cè)的復(fù)雜情況以及昂貴的設(shè)計(jì)變更的出現(xiàn)，而基于精確部件模型的系統(tǒng)仿真則完全可以避免這些損失。

Mentor公司的SystemVision應(yīng)用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)模型和“連續(xù)驗(yàn)證”理念實(shí)現(xiàn)了革命性的突破，為ECU甚至完整的汽車(chē)設(shè)計(jì)提供虛擬實(shí)驗(yàn)室，支持包括電氣系統(tǒng)以及非電氣負(fù)載效用在內(nèi)的完整汽車(chē)設(shè)計(jì)方案的探測(cè)。

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性的提高使通訊負(fù)擔(dān)加重。多個(gè)子系統(tǒng)之間跨網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)不能有效解決這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。尤其是在整車(chē)設(shè)計(jì)中整合多個(gè)ECU子系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)行為的出現(xiàn)，從而危及到整車(chē)系統(tǒng)的功能和性能。

高速增長(zhǎng)的復(fù)雜性導(dǎo)致信號(hào)阻塞壓制了網(wǎng)絡(luò)性能與效率，從而引起功能之間不必要的交互。車(chē)載網(wǎng)絡(luò)迅速膨脹以適應(yīng)不斷提升的ECU數(shù)目以及子系統(tǒng)數(shù)目的需要，可能的信號(hào)交互組合將會(huì)危害到測(cè)試的效率。信號(hào)廣播方式迅速普及，越來(lái)越多的中斷以及收發(fā)數(shù)據(jù)幀要求通訊負(fù)荷使用更強(qiáng)大也更昂貴的微處理器，并提高存儲(chǔ)器容量。

為了克服這些問(wèn)題，EDA企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一整套網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信解決方案，主要支持三個(gè)方面的工作：車(chē)載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)；車(chē)載網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)；車(chē)載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與認(rèn)證。

電氣系統(tǒng)整合與互連技術(shù)

現(xiàn)代的汽車(chē)平臺(tái)經(jīng)常會(huì)整合80個(gè)以上的獨(dú)立系統(tǒng)，這些電氣系統(tǒng)通常由幾百個(gè)設(shè)備以及數(shù)千個(gè)電氣元件連接組成。電氣系統(tǒng)和設(shè)備在汽車(chē)平臺(tái)中的智能化分布，以及通過(guò)物理布線實(shí)現(xiàn)的電氣系統(tǒng)之間的互連，成為影響最終產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵步驟。采用合理的流程，應(yīng)用相關(guān)的工具和技術(shù)可以改善電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著減少設(shè)計(jì)和制造成本。

汽車(chē)平臺(tái)中有關(guān)電氣系統(tǒng)的部署及其電氣分布的設(shè)計(jì)難度顯著提升，迫切需要一種能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化分配，并且依據(jù)可能的布線通道實(shí)現(xiàn)布線綜合的解決方案。

這種解決方案需要支持電氣的互連系統(tǒng)綜合，并且適合所有車(chē)輛的派生及選配，支持仿真、高級(jí)分析以及下道工序的制造。這種解決方案的核心是一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)該中央數(shù)據(jù)庫(kù)可以自動(dòng)生成相關(guān)的圖表。

嵌入式軟件技術(shù)

高度可靠、可多次復(fù)用并且可移植的嵌入式軟件組件在提供優(yōu)秀功能的同時(shí)，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。就產(chǎn)品生命周期成本而言，軟件功能的可靠性和可預(yù)測(cè)性非常有利于迅速降低產(chǎn)品質(zhì)量保障和維護(hù)成本。

嵌入式軟件解決方案通常包括工具套件、集成軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)以及軟件IP產(chǎn)品。針對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)的核心軟件開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用程序通常包括以下內(nèi)容：基于Eclipse的IDE和開(kāi)發(fā)工具；針對(duì)xtUML設(shè)計(jì)的高級(jí)建模套件；完整的系統(tǒng)和圖形化原型；OSEK標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

未來(lái)之路

汽車(chē)電子電氣設(shè)計(jì)的未來(lái)依存于更明確的功能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及更加廣泛實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的采用，例如AUTOSAR(汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu))。

AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)

作為AUTOSAR組織中唯一的EDA公司，MentorGraphics正在積極參與和協(xié)助開(kāi)發(fā)面向汽車(chē)設(shè)計(jì)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。這樣的標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步帶動(dòng)電子電氣設(shè)計(jì)的迅速增長(zhǎng)。

在汽車(chē)電子電氣設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)程中，AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的采用很可能會(huì)是一個(gè)重大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。AUTOSAR是一個(gè)OEM廠商(整車(chē)廠商)和第一級(jí)汽車(chē)供應(yīng)商的行業(yè)大連盟，旨在通過(guò)協(xié)同工作，開(kāi)發(fā)和建立汽車(chē)電子電氣結(jié)構(gòu)開(kāi)放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣的標(biāo)準(zhǔn)將充當(dāng)未來(lái)應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊中面向功能管理的基礎(chǔ)設(shè)施和架構(gòu)。最主要的目標(biāo)是提供標(biāo)準(zhǔn)軟件API，通過(guò)這種方式確保采用一些可交換的組件來(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式軟件，這種模式類(lèi)似于今天的硬件組件。

X—by—wire(線控技術(shù))

汽車(chē)中X—by—wire系統(tǒng)(線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)等)的增加進(jìn)一步加劇了機(jī)電組件和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的復(fù)雜性，也增加了標(biāo)準(zhǔn)化API接口和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的危險(xiǎn)程度。對(duì)于X—by—wire系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，汽車(chē)廠商必須確保與關(guān)鍵平臺(tái)功能相關(guān)的義務(wù)和責(zé)任的實(shí)現(xiàn)，因此真實(shí)強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真就變得十分關(guān)鍵。為X—by—wire設(shè)計(jì)實(shí)施完善徹底的虛擬原型和驗(yàn)證，是確保系統(tǒng)和組件可靠性以及安全性的根本，只有如此，才能避免陷入成本昂貴的質(zhì)量責(zé)任索賠。

目標(biāo)功能優(yōu)化

汽車(chē)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)功能的網(wǎng)絡(luò)化比重在穩(wěn)步上升。網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的提升對(duì)確定性的設(shè)計(jì)創(chuàng)建、仿真和分析都提出了強(qiáng)烈的需求。研發(fā)廠商目前在機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、與系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)接口、硬件軟件協(xié)同驗(yàn)證和協(xié)同建模等方面都有了突破性的進(jìn)展，并且得到了汽車(chē)行業(yè)的高度認(rèn)可。

Mentor的汽車(chē)電子電氣領(lǐng)域解決方案

FPGAAdvantage／ExpeditionPCB板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

Mentor公司研發(fā)的部件級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)可為交通運(yùn)輸業(yè)提供服務(wù)，如IC／ASIC／SoC芯片設(shè)計(jì)技術(shù)、FPGA$~計(jì)技術(shù)、PCB設(shè)計(jì)技術(shù)以及嵌入式軟件設(shè)計(jì)技術(shù)等。為實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到維護(hù)的產(chǎn)品生命周期全過(guò)程的高效率管理，行業(yè)對(duì)流程、方法學(xué)以及工具的需求也在不斷提升。Mentor公司迅速研發(fā)出了大量新技術(shù)和新產(chǎn)品，幫助汽車(chē)廠商從容應(yīng)對(duì)爆炸性增長(zhǎng)的復(fù)雜汽車(chē)電子電氣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

Volcano通信技術(shù)

VOlcano是面向車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，支持車(chē)載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供面向車(chē)載網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)應(yīng)用軟件IP包，以及支撐實(shí)際應(yīng)用中CAN和LIN通訊所需的軟件模塊，支持多種總線系統(tǒng)的分析(包括CAN、LIN、MOST等)，為汽車(chē)軟件、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試以及認(rèn)證提供確定性的“架構(gòu)正確”的方法。

SystemVision

SystemVision是連接多個(gè)領(lǐng)域(機(jī)械、電氣及控制等)并且支持}昆合信號(hào)模型的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和分析技術(shù)。支持多種抽象層次(包括概念、功能、結(jié)構(gòu)以及部件級(jí))的建模和仿真；全面支持VHDL—AMS、SPICE以及c語(yǔ)言，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)部件的虛擬整合；與Matlab／Simulink之間的接口支持更高層次的系統(tǒng)仿真。

Capital Harness System(CHS)

CHS是Mentor公司獨(dú)特的線纜線束設(shè)計(jì)解決方案，提供電氣分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真分析、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及管理變更、工程化以及生產(chǎn)分析和支持、系統(tǒng)集成等功能。

嵌入式軟件解決方案

Mentor公司提供全面的嵌入式軟件解決方案：高層次模型驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)支持完全的代碼生成；提供系統(tǒng)級(jí)仿真與原型工具；提供調(diào)試與性能分析工具；所有技術(shù)都整合在基于Eclipse單一的IDE環(huán)境之中，并且具有互操作性；提供包括RTOS以及完善的中間件在內(nèi)的軟件IP包。

結(jié)語(yǔ)

功能電子化、控制智能化、連接網(wǎng)絡(luò)化成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)不變的追求。汽車(chē)電子電氣已經(jīng)成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中最重要的核心技術(shù)，目前EDA廠商已為復(fù)雜高性能的汽車(chē)電子電氣設(shè)計(jì)研發(fā)出一整套先進(jìn)的產(chǎn)品、技術(shù)、流程和方法學(xué)。在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，應(yīng)用全新的設(shè)計(jì)技術(shù)將構(gòu)成未來(lái)電子電氣設(shè)計(jì)的新景象。(end)