汽車電子電氣工程化設(shè)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(fù)雜性的提升。電子電氣子系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，而且其設(shè)計整合了多門工程學(xué)科，需要面向硬件、軟件、機械等及其相互交織而導(dǎo)致的復(fù)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(fù)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(yù)算降低，質(zhì)量成本迅速攀升。
汽車電子電氣設(shè)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(shè)計過程就變得異常復(fù)雜。汽車電子電氣系統(tǒng)的設(shè)計和驗證過程主要分為兩個部分：
·單個ECU和汽車部件的設(shè)計與驗證。
·完整系統(tǒng)的設(shè)計、整合和驗證。
電控單元設(shè)計技術(shù)
芯片設(shè)計技術(shù)
芯片的設(shè)計包括三個方面：首先是FPGA或是FPSoC的設(shè)計，其次是定制IC的設(shè)計，第三是ASIC以及SoC的設(shè)計。
基于對設(shè)計復(fù)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(yù)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)模混合電路甚至是射頻電路，那么必須采用定制IC或者數(shù)?；旌螴C的設(shè)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(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(shè)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(shè)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(shè)計的ECU系統(tǒng)通常不能達到設(shè)計指標的要求。常見現(xiàn)象主要有：設(shè)計的系統(tǒng)只能工作在比設(shè)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(shè)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(shè)計流程和設(shè)計平臺。
HDI(高密度互聯(lián))PCB設(shè)計支持微過孔技術(shù)、埋盲孔技術(shù)等，可以迅速提升設(shè)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(yīng)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(shè)計技術(shù)
二次集成的模塊化設(shè)計是指設(shè)計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(shè)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(yīng)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(shè)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(fù)雜。
目前的系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(dǎo)致無法預(yù)測的復(fù)雜情況以及昂貴的設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計方案的探測。
車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)
車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性的提高使通訊負擔(dān)加重。多個子系統(tǒng)之間跨網(wǎng)絡(luò)傳輸信號增多，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計方式已經(jīng)不能有效解決這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計。尤其是在整車設(shè)計中整合多個ECU子系統(tǒng)，可能會導(dǎo)致不可預(yù)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(fù)雜性導(dǎo)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(luò)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(luò)架構(gòu)設(shè)計；車載網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計；車載網(wǎng)絡(luò)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(shè)備以及數(shù)千個電氣元件連接組成。電氣系統(tǒng)和設(shè)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(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，顯著減少設(shè)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(shè)計難度顯著提升，迫切需要一種能夠自動實現(xiàn)設(shè)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(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，極大地簡化了設(shè)計。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(shè)計的核心軟件開發(fā)工具和應(yīng)用程序通常包括以下內(nèi)容：基于Eclipse的IDE和開發(fā)工具；針對xtUML設(shè)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(shè)計的未來依存于更明確的功能驅(qū)動設(shè)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(shè)計的開放標準。這樣的標準將進一步帶動電子電氣設(shè)計的迅速增長。
在汽車電子電氣設(shè)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(yīng)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(dāng)未來應(yīng)用和標準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(shè)計問題的復(fù)雜性，也增加了標準化API接口和設(shè)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(wù)和責(zé)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(shè)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(zé)任索賠。
目標功能優(yōu)化
汽車設(shè)計中，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)雜度的提升對確定性的設(shè)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(luò)設(shè)計、與系統(tǒng)級設(shè)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(lǐng)域解決方案
FPGAAdvantage／ExpeditionPCB板級系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
Mentor公司研發(fā)的部件級設(shè)計技術(shù)可為交通運輸業(yè)提供服務(wù)，如IC／ASIC／SoC芯片設(shè)計技術(shù)、FPGA$~計技術(shù)、PCB設(shè)計技術(shù)以及嵌入式軟件設(shè)計技術(shù)等。為實現(xiàn)從設(shè)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(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，幫助汽車廠商從容應(yīng)對爆炸性增長的復(fù)雜汽車電子電氣設(shè)計挑戰(zhàn)。
Volcano通信技術(shù)
VOlcano是面向車載網(wǎng)絡(luò)的自動化設(shè)計工具，支持車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供面向車載網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的目標應(yīng)用軟件IP包，以及支撐實際應(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)，為汽車軟件、網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)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(shè)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(shè)計解決方案，提供電氣分布式系統(tǒng)設(shè)計、仿真分析、設(shè)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(shè)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(luò)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(fù)雜高性能的汽車電子電氣設(shè)計研發(fā)出一整套先進的產(chǎn)品、技術(shù)、流程和方法學(xué)。在汽車產(chǎn)業(yè)中，應(yīng)用全新的設(shè)計技術(shù)將構(gòu)成未來電子電氣設(shè)計的新景象。(end)
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