汽車(chē)電子電氣工程化設計技術(shù)
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汽車(chē)電子電氣架構中機電一體化子系統的迅速增加，極大推動(dòng)了汽車(chē)復雜性的提升。電子電氣子系統在汽車(chē)領(lǐng)域應用非常廣泛，而且其設計整合了多門(mén)工程學(xué)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(wèn)題的解決方案。
所以，汽車(chē)廠(chǎng)商同時(shí)面臨來(lái)自幾個(gè)方面的嚴峻考驗：電子電氣系統的數量和復雜性快速提升，研發(fā)周期不斷縮減，新車(chē)型的發(fā)布提速，研發(fā)預算降低，質(zhì)量成本迅速攀升。
汽車(chē)電子電氣設計自動(dòng)化技術(shù)介紹
隨著(zhù)多路技術(shù)的引入，ECU與子系統之間的通訊和相互作用迅速增多，汽車(chē)系統及其設計過(guò)程就變得異常復雜。汽車(chē)電子電氣系統的設計和驗證過(guò)程主要分為兩個(gè)部分：
·單個(gè)ECU和汽車(chē)部件的設計與驗證。
·完整系統的設計、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(gè)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(jìn)度、研發(fā)成本以及芯片量產(chǎn)規模等的預測，ECU可能要對芯片的實(shí)現模式作出決策。首先是芯片實(shí)現的功能以及芯片需要集成的內容，如果芯片需要整合模擬電路、數?；旌想娐飞踔潦巧漕l電路，那么必須采用定制IC或者數?；旌螴C的設計實(shí)現技術(shù)；如果芯片所需要集成和整合的內容全部是數字邏輯電路，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)險方面的考慮，IC／ASIC的研發(fā)投入較高，投入成本和風(fēng)險都較大，SoC在研發(fā)投入和研發(fā)風(fēng)險方面就更高，而FPGA在這些方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。第三是從芯片可能的量產(chǎn)規模來(lái)考慮，IC／ASIC／SoC顯然適合規?；慨a(chǎn)，而FPGA在大規模量產(chǎn)(通常認為大于1萬(wàn)片以上的規模)的情況下具有成本上的劣勢。第四是研發(fā)的進(jìn)度，IC／ASIC研制周期較長(cháng)，SoC研制周期更長(cháng)，FPGA研制周期則很短。
PCB設計技術(shù)
ECU系統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(wèn)題日益突出，影響到ECU系統的性能和可靠性，直接表現為設計的ECU系統通常不能達到設計指標的要求。常見(jiàn)現象主要有：設計的系統只能工作在比設計規格低的時(shí)鐘頻率以及數據傳輸率上；需要嚴格篩選元器件，ECU系統才能正常工作；設計需要返工等。徹底解決這些問(wèn)題需要長(cháng)期經(jīng)驗的積累，以及嚴格規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(guò)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(lǐng)域中也有重要的應用，如在依靠電池供電強調低功耗、體積小、重量輕的ECU系統中，這一點(diǎn)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(zhù)的優(yōu)勢，因而應用范圍很廣泛。
電氣系統建模與仿真技術(shù)
機電系統的設計通常包括混合的模擬和數字電路，也包括機械、電磁以及其它的多種物理成分。與此同時(shí)，用來(lái)控制這些系統的嵌入式軟件也越來(lái)越多，并且越來(lái)越復雜。
目前的系統設計方法通常包括創(chuàng )建結構框圖和傳遞函數，而忽略了具體的物理設計實(shí)現細節。因而這樣的虛擬環(huán)境不能實(shí)現系統集成，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致無(wú)法預測的復雜情況以及昂貴的設計變更的出現，而基于精確部件模型的系統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“連續驗證”理念實(shí)現了革命性的突破，為ECU甚至完整的汽車(chē)設計提供虛擬實(shí)驗室，支持包括電氣系統以及非電氣負載效用在內的完整汽車(chē)設計方案的探測。
車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設計技術(shù)
車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統設計復雜性的提高使通訊負擔加重。多個(gè)子系統之間跨網(wǎng)絡(luò )傳輸信號增多，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構日益復雜，傳統的設計方式已經(jīng)不能有效解決這種復雜的網(wǎng)絡(luò )系統設計。尤其是在整車(chē)設計中整合多個(gè)ECU子系統，可能會(huì )導致不可預測行為的出現，從而危及到整車(chē)系統的功能和性能。
高速增長(cháng)的復雜性導致信號阻塞壓制了網(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 )迅速膨脹以適應不斷提升的ECU數目以及子系統數目的需要，可能的信號交互組合將會(huì )危害到測試的效率。信號廣播方式迅速普及，越來(lái)越多的中斷以及收發(fā)數據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(wèn)題，EDA企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一整套網(wǎng)絡(luò )與數據通信解決方案，主要支持三個(gè)方面的工作：車(chē)載網(wǎng)絡(luò )架構設計；車(chē)載網(wǎng)絡(luò )軟件設計；車(chē)載網(wǎng)絡(luò )測試與認證。
電氣系統整合與互連技術(shù)
現代的汽車(chē)平臺經(jīng)常會(huì )整合80個(gè)以上的獨立系統，這些電氣系統通常由幾百個(gè)設備以及數千個(gè)電氣元件連接組成。電氣系統和設備在汽車(chē)平臺中的智能化分布，以及通過(guò)物理布線(xiàn)實(shí)現的電氣系統之間的互連，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)可以改善電氣系統的優(yōu)化設計，顯著(zhù)減少設計和制造成本。
汽車(chē)平臺中有關(guān)電氣系統的部署及其電氣分布的設計難度顯著(zhù)提升，迫切需要一種能夠自動(dòng)實(shí)現設備的智能化分配，并且依據可能的布線(xiàn)通道實(shí)現布線(xiàn)綜合的解決方案。
這種解決方案需要支持電氣的互連系統綜合，并且適合所有車(chē)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(gè)中央數據庫，依據該中央數據庫可以自動(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(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)以及軟件IP產(chǎn)品。針對汽車(chē)設計的核心軟件開(kāi)發(fā)工具和應用程序通常包括以下內容：基于Eclipse的IDE和開(kāi)發(fā)工具；針對xtUML設計的高級建模套件；完整的系統和圖形化原型；OSEK標準實(shí)時(shí)操作系統。
未來(lái)之路
汽車(chē)電子電氣設計的未來(lái)依存于更明確的功能驅動(dòng)設計，進(jìn)一步的結構優(yōu)化，以及更加廣泛實(shí)施的行業(yè)標準的采用，例如AUTOSAR(汽車(chē)開(kāi)放系統架構)。
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(kāi)發(fā)面向汽車(chē)設計的開(kāi)放標準。這樣的標準將進(jìn)一步帶動(dòng)電子電氣設計的迅速增長(cháng)。
在汽車(chē)電子電氣設計的發(fā)展進(jìn)程中，AUTOSAR標準的采用很可能會(huì )是一個(gè)重大的轉折點(diǎn)。AUTOSAR是一個(gè)OEM廠(chǎng)商(整車(chē)廠(chǎng)商)和第一級汽車(chē)供應商的行業(yè)大連盟，旨在通過(guò)協(xié)同工作，開(kāi)發(fā)和建立汽車(chē)電子電氣結構開(kāi)放工業(yè)標準，這樣的標準將充當未來(lái)應用和標準軟件模塊中面向功能管理的基礎設施和架構。最主要的目標是提供標準軟件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(xiàn)控技術(shù))
汽車(chē)中X—by—wire系統(線(xiàn)控轉向、線(xiàn)控制動(dòng)等)的增加進(jìn)一步加劇了機電組件和子系統設計問(wèn)題的復雜性，也增加了標準化API接口和設計實(shí)現的危險程度。對于X—by—wire系統來(lái)說(shuō)，汽車(chē)廠(chǎng)商必須確保與關(guān)鍵平臺功能相關(guān)的義務(wù)和責任的實(shí)現，因此真實(shí)強大的系統仿真就變得十分關(guān)鍵。為X—by—wire設計實(shí)施完善徹底的虛擬原型和驗證，是確保系統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(chē)設計中，系統功能的網(wǎng)絡(luò )化比重在穩步上升。網(wǎng)絡(luò )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(chǎng)商目前在機電一體化系統仿真、車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設計、與系統級設計技術(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(jìn)展，并且得到了汽車(chē)行業(yè)的高度認可。
Mentor的汽車(chē)電子電氣領(lǐng)域解決方案
FPGAAdvantage／ExpeditionPCB板級系統設計技術(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(wù)，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(shí)現從設計到維護的產(chǎn)品生命周期全過(guò)程的高效率管理，行業(yè)對流程、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(chǎng)商從容應對爆炸性增長(cháng)的復雜汽車(chē)電子電氣設計挑戰。
Volcano通信技術(shù)
VOlcano是面向車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)化設計工具，支持車(chē)載網(wǎng)絡(luò )結構設計，提供面向車(chē)載網(wǎng)絡(luò )實(shí)際應用的目標應用軟件IP包，以及支撐實(shí)際應用中CAN和LIN通訊所需的軟件模塊，支持多種總線(xiàn)系統的分析(包括CAN、LIN、MOST等)，為汽車(chē)軟件、網(wǎng)絡(luò )測試以及認證提供確定性的“架構正確”的方法。
SystemVision
SystemVision是連接多個(gè)領(lǐng)域(機械、電氣及控制等)并且支持}昆合信號模型的系統級設計和分析技術(shù)。支持多種抽象層次(包括概念、功能、結構以及部件級)的建模和仿真；全面支持VHDL—AMS、SPICE以及c語(yǔ)言，從而實(shí)現機電一體化系統部件的虛擬整合；與Matlab／Simulink之間的接口支持更高層次的系統仿真。
Capital Harness System(CHS)
CHS是Mentor公司獨特的線(xiàn)纜線(xiàn)束設計解決方案，提供電氣分布式系統設計、仿真分析、設計數據以及管理變更、工程化以及生產(chǎn)分析和支持、系統集成等功能。
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：高層次模型驅動(dòng)的結構設計技術(shù)支持完全的代碼生成；提供系統級仿真與原型工具；提供調試與性能分析工具；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的軟件IP包。
結語(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(chǎng)商已為復雜高性能的汽車(chē)電子電氣設計研發(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，應用全新的設計技術(shù)將構成未來(lái)電子電氣設計的新景象。(end)
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