汽車電子電氣工程化設計技術(shù)
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汽車電子電氣架構(gòu)中機電一體化子系統(tǒng)的迅速增加，極大推動了汽車復雜性的提升。電子電氣子系統(tǒng)在汽車領域應用非常廣泛，而且其設計整合了多門工程學科，需要面向硬件、軟件、機械等及其相互交織而導致的復雜問題的解決方案。
所以，汽車廠商同時面臨來自幾個方面的嚴峻考驗：電子電氣系統(tǒng)的數(shù)量和復雜性快速提升，研發(fā)周期不斷縮減，新車型的發(fā)布提速，研發(fā)預算降低，質(zhì)量成本迅速攀升。
汽車電子電氣設計自動化技術(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，汽車系統(tǒng)及其設計過程就變得異常復雜。汽車電子電氣系統(tǒng)的設計和驗證過程主要分為兩個部分：
·單個ECU和汽車部件的設計與驗證。
·完整系統(tǒng)的設計、整合和驗證。
電控單元設計技術(shù)
芯片設計技術(shù)
芯片的設計包括三個方面：首先是FPGA或是FPSoC的設計，其次是定制IC的設計，第三是ASIC以及SoC的設計。
基于對設計復雜程度、研發(fā)進度、研發(fā)成本以及芯片量產(chǎn)規(guī)模等的預測，ECU可能要對芯片的實現(xiàn)模式作出決策。首先是芯片實現(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)?；旌螴C的設計實現(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)風險方面的考慮，IC／ASIC的研發(fā)投入較高，投入成本和風險都較大，SoC在研發(fā)投入和研發(fā)風險方面就更高，而FPGA在這些方面具有顯著的優(yōu)勢。第三是從芯片可能的量產(chǎn)規(guī)模來考慮，IC／ASIC／SoC顯然適合規(guī)?；慨a(chǎn)，而FPGA在大規(guī)模量產(chǎn)(通常認為大于1萬片以上的規(guī)模)的情況下具有成本上的劣勢。第四是研發(fā)的進度，IC／ASIC研制周期較長，SoC研制周期更長，F(xiàn)PGA研制周期則很短。
PCB設計技術(shù)
ECU系統(tǒng)最終物化為一組互連的PCB板，因而PCB的設計、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)為設計的ECU系統(tǒng)通常不能達到設計指標的要求。常見現(xiàn)象主要有：設計的系統(tǒng)只能工作在比設計規(guī)格低的時鐘頻率以及數(shù)據(jù)傳輸率上；需要嚴格篩選元器件，ECU系統(tǒng)才能正常工作；設計需要返工等。徹底解決這些問題需要長期經(jīng)驗的積累，以及嚴格規(guī)范的設計流程和設計平臺。
HDI(高密度互聯(lián))PCB設計支持微過孔技術(shù)、埋盲孔技術(shù)等，可以迅速提升設計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域中也有重要的應用，如在依靠電池供電強調(diào)低功耗、體積小、重量輕的ECU系統(tǒng)中，這一點是非常重要的。
二次集成的模塊化設計技術(shù)
二次集成的模塊化設計是指設計工程師從事部分特殊電路芯片的研發(fā)，如符合特定應用需求的接口電路、驅(qū)動電路等，再將研發(fā)出的這部分電路芯片的裸片連同從行業(yè)采購的CPU裸片、ADC裸片等通過MCM(多芯片模塊)或者混合電路的模式進行二次集成。
二次集成的模塊化設計技術(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，因而應用范圍很廣泛。
電氣系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)
機電系統(tǒng)的設計通常包括混合的模擬和數(shù)字電路，也包括機械、電磁以及其它的多種物理成分。與此同時，用來控制這些系統(tǒng)的嵌入式軟件也越來越多，并且越來越復雜。
目前的系統(tǒng)設計方法通常包括創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框圖和傳遞函數(shù)，而忽略了具體的物理設計實現(xiàn)細節(jié)。因而這樣的虛擬環(huán)境不能實現(xiàn)系統(tǒng)集成，必須等到實際的物理硬件已經(jīng)就緒方可進行。這種處理方法容易導致無法預測的復雜情況以及昂貴的設計變更的出現(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應用業(yè)界標準模型和“連續(xù)驗證”理念實現(xiàn)了革命性的突破，為ECU甚至完整的汽車設計提供虛擬實驗室，支持包括電氣系統(tǒng)以及非電氣負載效用在內(nèi)的完整汽車設計方案的探測。
車載網(wǎng)絡設計技術(shù)
車載網(wǎng)絡系統(tǒng)設計復雜性的提高使通訊負擔加重。多個子系統(tǒng)之間跨網(wǎng)絡傳輸信號增多，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)日益復雜，傳統(tǒng)的設計方式已經(jīng)不能有效解決這種復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)設計。尤其是在整車設計中整合多個ECU子系統(tǒng)，可能會導致不可預測行為的出現(xiàn)，從而危及到整車系統(tǒng)的功能和性能。
高速增長的復雜性導致信號阻塞壓制了網(wǎng)絡性能與效率，從而引起功能之間不必要的交互。車載網(wǎng)絡迅速膨脹以適應不斷提升的ECU數(shù)目以及子系統(tǒng)數(shù)目的需要，可能的信號交互組合將會危害到測試的效率。信號廣播方式迅速普及，越來越多的中斷以及收發(fā)數(shù)據(jù)幀要求通訊負荷使用更強大也更昂貴的微處理器，并提高存儲器容量。
為了克服這些問題，EDA企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一整套網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)通信解決方案，主要支持三個方面的工作：車載網(wǎng)絡架構(gòu)設計；車載網(wǎng)絡軟件設計；車載網(wǎng)絡測試與認證。
電氣系統(tǒng)整合與互連技術(shù)
現(xiàn)代的汽車平臺經(jīng)常會整合80個以上的獨立系統(tǒng)，這些電氣系統(tǒng)通常由幾百個設備以及數(shù)千個電氣元件連接組成。電氣系統(tǒng)和設備在汽車平臺中的智能化分布，以及通過物理布線實現(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)化設計，顯著減少設計和制造成本。
汽車平臺中有關(guān)電氣系統(tǒng)的部署及其電氣分布的設計難度顯著提升，迫切需要一種能夠自動實現(xiàn)設備的智能化分配，并且依據(jù)可能的布線通道實現(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，并且適合所有車輛的派生及選配，支持仿真、高級分析以及下道工序的制造。這種解決方案的核心是一個中央數(shù)據(jù)庫，依據(jù)該中央數(shù)據(jù)庫可以自動生成相關(guān)的圖表。
嵌入式軟件技術(shù)
高度可靠、可多次復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，極大地簡化了設計。就產(chǎn)品生命周期成本而言，軟件功能的可靠性和可預測性非常有利于迅速降低產(chǎn)品質(zhì)量保障和維護成本。
嵌入式軟件解決方案通常包括工具套件、集成軟件開發(fā)環(huán)境(IDE)以及軟件IP產(chǎn)品。針對汽車設計的核心軟件開發(fā)工具和應用程序通常包括以下內(nèi)容：基于Eclipse的IDE和開發(fā)工具；針對xtUML設計的高級建模套件；完整的系統(tǒng)和圖形化原型；OSEK標準實時操作系統(tǒng)。
未來之路
汽車電子電氣設計的未來依存于更明確的功能驅(qū)動設計，進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及更加廣泛實施的行業(yè)標準的采用，例如AUTOSAR(汽車開放系統(tǒng)架構(gòu))。
AUTOSAR標準
作為AUTOSAR組織中唯一的EDA公司，MentorGraphics正在積極參與和協(xié)助開發(fā)面向汽車設計的開放標準。這樣的標準將進一步帶動電子電氣設計的迅速增長。
在汽車電子電氣設計的發(fā)展進程中，AUTOSAR標準的采用很可能會是一個重大的轉(zhuǎn)折點。AUTOSAR是一個OEM廠商(整車廠商)和第一級汽車供應商的行業(yè)大連盟，旨在通過協(xié)同工作，開發(fā)和建立汽車電子電氣結(jié)構(gòu)開放工業(yè)標準，這樣的標準將充當未來應用和標準軟件模塊中面向功能管理的基礎設施和架構(gòu)。最主要的目標是提供標準軟件API，通過這種方式確保采用一些可交換的組件來開發(fā)嵌入式軟件，這種模式類似于今天的硬件組件。
X—by—wire(線控技術(shù))
汽車中X—by—wire系統(tǒng)(線控轉(zhuǎn)向、線控制動等)的增加進一步加劇了機電組件和子系統(tǒng)設計問題的復雜性，也增加了標準化API接口和設計實現(xiàn)的危險程度。對于X—by—wire系統(tǒng)來說，汽車廠商必須確保與關(guān)鍵平臺功能相關(guān)的義務和責任的實現(xiàn)，因此真實強大的系統(tǒng)仿真就變得十分關(guān)鍵。為X—by—wire設計實施完善徹底的虛擬原型和驗證，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)量責任索賠。
目標功能優(yōu)化
汽車設計中，系統(tǒng)功能的網(wǎng)絡化比重在穩(wěn)步上升。網(wǎng)絡復雜度的提升對確定性的設計創(chuàng)建、仿真和分析都提出了強烈的需求。研發(fā)廠商目前在機電一體化系統(tǒng)仿真、車載網(wǎng)絡設計、與系統(tǒng)級設計技術(shù)接口、硬件軟件協(xié)同驗證和協(xié)同建模等方面都有了突破性的進展，并且得到了汽車行業(yè)的高度認可。
Mentor的汽車電子電氣領域解決方案
FPGAAdvantage／ExpeditionPCB板級系統(tǒng)設計技術(shù)
Mentor公司研發(fā)的部件級設計技術(shù)可為交通運輸業(yè)提供服務，如IC／ASIC／SoC芯片設計技術(shù)、FPGA$~計技術(shù)、PCB設計技術(shù)以及嵌入式軟件設計技術(shù)等。為實現(xiàn)從設計到維護的產(chǎn)品生命周期全過程的高效率管理，行業(yè)對流程、方法學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，幫助汽車廠商從容應對爆炸性增長的復雜汽車電子電氣設計挑戰(zhàn)。
Volcano通信技術(shù)
VOlcano是面向車載網(wǎng)絡的自動化設計工具，支持車載網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計，提供面向車載網(wǎng)絡實際應用的目標應用軟件IP包，以及支撐實際應用中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)，為汽車軟件、網(wǎng)絡測試以及認證提供確定性的“架構(gòu)正確”的方法。
SystemVision
SystemVision是連接多個領域(機械、電氣及控制等)并且支持}昆合信號模型的系統(tǒng)級設計和分析技術(shù)。支持多種抽象層次(包括概念、功能、結(jié)構(gòu)以及部件級)的建模和仿真；全面支持VHDL—AMS、SPICE以及c語言，從而實現(xiàn)機電一體化系統(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公司獨特的線纜線束設計解決方案，提供電氣分布式系統(tǒng)設計、仿真分析、設計數(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)動的結(jié)構(gòu)設計技術(shù)支持完全的代碼生成；提供系統(tǒng)級仿真與原型工具；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
功能電子化、控制智能化、連接網(wǎng)絡化成為汽車產(chǎn)業(yè)不變的追求。汽車電子電氣已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)中最重要的核心技術(shù)，目前EDA廠商已為復雜高性能的汽車電子電氣設計研發(fā)出一整套先進的產(chǎn)品、技術(shù)、流程和方法學。在汽車產(chǎn)業(yè)中，應用全新的設計技術(shù)將構(gòu)成未來電子電氣設計的新景象。(end)
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