汽車(chē)電氣/電子設計中的系統設計

客戶(hù)與各種政府規章和要求促進(jìn)了大眾對汽車(chē)電氣 / 電子 (E/E) 系統更多功能的需求，這種需求為負責執行這些功能的原始設備制造商 (OEM) 帶來(lái)新的挑戰。當然，系統開(kāi)發(fā)和制造的成本巨大，但原始設備制造商必須應對的挑戰遠遠不只是成本問(wèn)題，還包括不斷增加的重量、可靠性和質(zhì)量問(wèn)題、呈指數增長(cháng)的復雜性以及政府要求等。

從整個(gè)電氣系統平臺而言，它具有整合所有獨立電氣/電子系統的獨特作用。整合時(shí)可能產(chǎn)生需要設計修改的意外問(wèn)題。通常這些問(wèn)題是隨著(zhù)設計的逐步進(jìn)行而被發(fā)現，從而會(huì )導致計劃延遲，從而錯過(guò)截止日期并產(chǎn)生代價(jià)高昂的返工。

向客戶(hù)提供的配置數量引起的日益提高的復雜性以及錯誤成本都體現出使用系統設計途徑來(lái)解決該問(wèn)題的價(jià)值。系統設計方法應讓 OEMs 能夠維持產(chǎn)品質(zhì)量，減少總成本，管理變化變更并滿(mǎn)足上市時(shí)間目標。

在探討系統設計如何能用于克服這些挑戰之前，我們先詳細檢查部分這些問(wèn)題。

電氣系統重量和成本增加

在車(chē)輛中增加電纜布線(xiàn)和電氣功能對整體重量和生產(chǎn)成本都會(huì )帶來(lái)重大影響。例如，一些帶有更多功能的豪華車(chē)包含超過(guò)5千米和大約90公斤的電纜。更多布線(xiàn)重量和成本令電氣平臺設計人員不得不權衡取舍，在成本、重量和功能之間取得最佳平衡。

更多電子功能意味著(zhù)更高復雜性

設計和制造的復雜性隨著(zhù)電氣/電子功能的增加而增加。在當今的車(chē)輛中，超量的電子模塊提供著(zhù)客戶(hù)和法規規定需要的功能。這些功能甚至分布在大量的電子控制單元 (ECU) 中。高端汽車(chē)可能擁有多達70個(gè)ECU，從而能提供800多項功能，并通過(guò)5套系統總線(xiàn)相互連接。

隨著(zhù)電線(xiàn)、總線(xiàn)和功能的數量增加，出現潛在電路等意外問(wèn)題的可能性也會(huì )增加。潛在電路中，開(kāi)關(guān)和載荷的特殊結合可能導致電氣功能的偶然運行或故障。

潛在電路可能帶來(lái)的良性后果恰似糊涂的駕車(chē)人，但更嚴重的惡性后果包括丟失對安全至關(guān)重要的功能，甚至車(chē)禍。

配置：對復雜性而言是個(gè)噩夢(mèng)

雖然很多人并沒(méi)有意識到，但汽車(chē)已經(jīng)成為市場(chǎng)電子消費品最復雜的一個(gè)領(lǐng)域。這種復雜性帶來(lái)了以多種方式配置功能的機會(huì )。隨著(zhù)向客戶(hù)提供旨在提高價(jià)值和需求，滿(mǎn)足安全性、可靠性以及 ISO 26262 和 Euro 5/6 排放標準等法定排放要求的功能變多，電氣系統可能性配置的數量也在激增。

電氣設計過(guò)程中的步驟數量乘以配置數量，如圖1所示。設計人員要面對整個(gè)平臺的一系列要求，他們通過(guò)幾個(gè)階段;首先將其分解為單個(gè)特性，然后分解為實(shí)現這些特性的功能。這些功能被集群到系統中，然后分配物理設備或軟件中。當今現代化汽車(chē)中的嵌入式軟件可多達1億行代碼。然后，原理設計與整個(gè)車(chē)輛的機械定義關(guān)聯(lián)，并以物理布線(xiàn)系統互連起來(lái)，該系統最后被劃分進(jìn)線(xiàn)束系列。每種平臺配置都有其獨一無(wú)二的線(xiàn)束，其可以分化為數千甚至數百萬(wàn)個(gè)線(xiàn)束。

圖1：該圖表說(shuō)明，增加汽車(chē)的客戶(hù)可選功能會(huì )迅速導致可能的配置數量驚人的大。

配置數量的急劇增多影響著(zhù)從需求到服務(wù)文檔的整個(gè)數據流。一旦銷(xiāo)售出去，OEMs就要負責終生有效的汽車(chē)服務(wù)。法律越來(lái)越嚴格地要求此類(lèi)數據(特指每種獨一無(wú)二的汽車(chē)配置)要向所有經(jīng)銷(xiāo)商提供(而不僅是原始設備制造商網(wǎng)絡(luò ))。

管理設計變更

以前，汽車(chē)設計的每個(gè)階段都是一個(gè)“孤島”，它們有自己的設計工具以及一種用來(lái)描述特定階段的組件、輸入和輸出的復雜本地語(yǔ)言。通信通常也比較麻煩，每個(gè)步驟都需要轉化和/或手動(dòng)重新錄入數據，從而導致冗余和延遲。這些方法難以應對當今的時(shí)間、成本和競爭壓力。電氣設計工程師需要能夠與其他工程師及其它“孤島”共享信息，來(lái)提升跨團隊及跨部門(mén)的通信。他們需要能夠更容易地理解變更的環(huán)境和影響，從而更快地執行變更，并且減少誤解。

系統工程設計方法更好地管理復雜性

當今的周期時(shí)間太慢，不能有效地參與競爭和滿(mǎn)足需求。從自上而下的系統設計開(kāi)始創(chuàng )建詳細的布線(xiàn)設計的過(guò)程重復而且費時(shí)間，使設計周期延長(cháng)了數月。這里討論的這些問(wèn)題增加了設計和制造周期的時(shí)間，而競爭又增大了更快創(chuàng )造理想電氣系統的壓力。

不斷增多的電氣內容，再加上法律和供應鏈挑戰正在推動(dòng)流程變化。系統設計可讓面臨現代化汽車(chē)開(kāi)發(fā)重壓的各方受益。大量證據顯示了系統設計范例在管理復雜性中的有效性，幾個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)包括：整體性、抽象性、逐步整合和互聯(lián)性。

整體性指可從整體上來(lái)看一個(gè)問(wèn)題，而不是從一系列孤立的活動(dòng)上來(lái)看。在汽車(chē)電氣/電子設計環(huán)境中，這意味著(zhù)連接各個(gè)設計領(lǐng)域，包括形形色色的嵌入式軟件設計、電子元件設計、配電系統設計和機械設計。

V 形圖表

工程設計有了相當標準的設計周期。在系統設計中，設計周期通常用“V 形圖表”來(lái)表示。圖2顯示了完整的 V 形圖表，每個(gè)步驟都列舉了出來(lái)。

圖2：系統設計方法可通過(guò)這個(gè) V 型圖顯示。

一款產(chǎn)品首先進(jìn)行頂層的可視化處理，生成需求。然后這些需求被分解成特性和功能。下一步是完成邏輯設計，然后是不超出平臺限制的物理設計。接著(zhù)，組件設計進(jìn)入最詳細的關(guān)頭(V 型圖底部)。然后對設計進(jìn)行“重新安排”，將印刷電路板、電子控制單元和線(xiàn)束等整合進(jìn)最終產(chǎn)品。

面對與日俱增的復雜性，要想管理設計和變更，并且及早發(fā)現問(wèn)題以便快速找到低成本的解決方案，需要實(shí)現高度自動(dòng)化，從而在合理的時(shí)間內處理復雜問(wèn)題。

要想解決這一挑戰，可以采取一種結合先進(jìn)軟件的系統設計方法來(lái)提供數字連續性、要求追蹤、歸檔和設計自動(dòng)化，并采用涵蓋生命周期各個(gè)階段的綜合性系統 V 模型。V 型圖左側代表的是需求的分解和系統規范的創(chuàng )建，而右側代表的是零件的集成和驗證。

利用這種方法，高度抽象化的數據被逐步分解和豐富，直到可建造的組件(軟件模塊、電子元件和線(xiàn)束等)被充分定義。然后這些組件被集成并不斷驗證，直到完成整個(gè)系統的裝配。抽象化數據的轉變可通過(guò)計算機可執行規范來(lái)自動(dòng)實(shí)現(這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)之為合成)，從要求到組件執行都能保持全面的可追溯性。

連續性和自動(dòng)化是成功的關(guān)鍵

市面上已推出執行系統設計方法的軟件包，其中一款來(lái)自Mentor Graphics。這款軟件可生成系統工程范例。執行系統設計的軟件自動(dòng)化應該為用戶(hù)提供大量工具。下文介紹了軟件包應具備的必要功能。

平臺級抽象化

軟件應使用一種生成方法，讓布線(xiàn)設計通過(guò)高水平的輸入自動(dòng)生成，在構建時(shí)即做到準確無(wú)誤。軟件可以針對所有平臺級配置自動(dòng)生成準確的布線(xiàn)設計(如圖3所示)。

圖3：通過(guò)自動(dòng)化，系統能夠完成合乎邏輯的初步設計。隨著(zhù)設計的進(jìn)程，軟件將不斷“完善”數據。

這種方法使制造商能夠掌握并發(fā)展他們具有競爭力的知識產(chǎn)權(IP)。系統集成很快，只需幾小時(shí)即可完成以往需要花費數周時(shí)間的任務(wù)。這減少了電氣設計的時(shí)間和成本，同時(shí)可以評估替代架構。

集成設計環(huán)境

軟件應提供適用于更大生態(tài)系統的完整電氣設計套件。設計之初就應采用能推動(dòng)與第三方 MCAD、PLM 或 ALM 工具集成的 IT 架構。

管理變更

自動(dòng)化應允許多種抽象化層次，并管理它們之間的聯(lián)系，以便變更得到全面傳遞。在傳遞變更時(shí)要加以控制并采取智能化的方式，確保先前在較低抽象化層次下完成的任何增值工作都能保留下來(lái)。

通過(guò)緊密集成，應用于配電系統的變更能夠與其他領(lǐng)域要求的變更協(xié)調一致以完整得實(shí)施變更：有效協(xié)調變更、節約時(shí)間并支持并行設計。

架構優(yōu)化

設計人員應能夠生成最詳細的線(xiàn)束成本模型和相關(guān)報告，便于在幾分鐘內對幾種設計方案的成本進(jìn)行比較(如圖4所示)。他們可在數小時(shí)內對各種廣泛的布局概念進(jìn)行詳細準確的分析?？焖贉蚀_的權衡可節省每輛汽車(chē)的成本并降低汽車(chē)重量。為不同客戶(hù)開(kāi)展數千次有時(shí)甚至數百萬(wàn)次電氣設計是一項艱巨的任務(wù)，但有了這些軟件工具，一個(gè)平臺項目的數千個(gè)構造的零部件布局和布線(xiàn)可同時(shí)得到優(yōu)化，從而實(shí)現更佳且成本更低的設計。更高的設計質(zhì)量可降低成本和風(fēng)險。

圖4：系統設計軟件實(shí)現輕松權衡比較，從而使設計人員能夠快速敲定最佳設計方案。

可追蹤流程

用戶(hù)能夠對流程控制進(jìn)行設計，以實(shí)現可核實(shí)和可追蹤的發(fā)布流程和設計修改。該軟件還可利用設計規則檢查執行特定的約束條件。

盡早排查問(wèn)題

應在設計早期發(fā)現問(wèn)題并提供解決方案。這樣才能迅速做出調整，調整相關(guān)成本要比設計后期發(fā)現問(wèn)題所付出的代價(jià)低得多。通過(guò)模擬仿真，設計可在試制之前進(jìn)行設計測試，這樣問(wèn)題就能及早發(fā)現，而在設計早期，調整成本也相對較低。軟件可提供嚴格的故障模式效果分析，以確定可能只被客戶(hù)發(fā)現的問(wèn)題。如果問(wèn)題只被客戶(hù)發(fā)現，廠(chǎng)家的聲譽(yù)和利潤都將嚴重受損。

設計階段完善數據

線(xiàn)束開(kāi)發(fā)是車(chē)輛設計和制造過(guò)程的轉折點(diǎn)。在線(xiàn)束開(kāi)發(fā)環(huán)境下，關(guān)鍵設計數據可經(jīng)過(guò)完善轉變成可制造的產(chǎn)品。軟件工具套件需通過(guò)實(shí)現數據連續性為該流程提供支持，貫穿從最早的設計工作(獲取電氣功能需求和物理需求)到實(shí)施的各個(gè)流程階段。應交付產(chǎn)品為附有詳細文檔資料的完整線(xiàn)束產(chǎn)品。

管理復雜性，避免召回和延誤帶來(lái)的重大損失

沒(méi)有認識到電子 / 電氣系統所發(fā)揮的特殊作用可能會(huì )造成召回或延誤等嚴重后果，從而使廠(chǎng)家蒙受重大損失。例如，已造成重大經(jīng)濟損失的空客 A380 大型噴氣式客氣的布線(xiàn)故障本質(zhì)上是機械和電氣工程師在管理數據連續性和信息流方面的失職。通過(guò)系統設計 V 模型右側的整合和驗證流程便可避免這種最壞結果的發(fā)生。

實(shí)施系統設計方法有助于車(chē)輛生產(chǎn)商在未來(lái)保證品質(zhì)和保持利潤率。Mentor Graphics的 Capital 工具可通過(guò)在整個(gè)電氣平臺提供數據連續性和設計自動(dòng)化實(shí)現成功的變化管理，從而有助于管理和應對車(chē)輛設計領(lǐng)域所面臨的電子器件不斷增多的復雜性和挑戰。