汽车电子电气工程化设计技术

目前，人们对于汽车性能要求的提高以及政府部门的限制性措施，导致典型的汽车机电系统平均数目已经从4个增加到了20个，而一些高端豪华轿车基于复杂的车载网络架构甚至已经整合了80机电一体化系统。同时，这些ECU在整车中所占的成本也迅速上升，2004年这个比例已经达到23％，预测2010年将达到40％。因此不难发现，以提高整车系统电子化水平、确保质量可靠性、提升效率、控制成本、确保研发进度等为目的的汽车电子电气设计自动化技术和环境平台建设，成为赢得未来汽车市场主动权的重要因素。
　　汽车电子电气架构中机电一体化子系统的迅速增加，极大推动了汽车复杂性的提升。电子电气子系统在汽车领域应用非常广泛，而且其设计整合了多门工程学科，需要面向硬件、软件、机械等及其相互交织而导致的复杂问题的解决方案。
　　所以，汽车厂商同时面临来自几个方面的严峻考验：电子电气系统的数量和复杂性快速提升，研发周期不断缩减，新车型的发布提速，研发预算降低，质量成本迅速攀升。
　　汽车电子电气设计自动化技术介绍
　　随着多路技术的引入，ECU与子系统之间的通讯和相互作用迅速增多，汽车系统及其设计过程就变得异常复杂。汽车电子电气系统的设计和验证过程主要分为两个部分：
　　·单个ECU和汽车部件的设计与验证。
　　·完整系统的设计、整合和验证。
　　电控单元设计技术
　　芯片设计技术
　　芯片的设计包括三个方面：首先是FPGA或是FPSoC的设计，其次是定制IC的设计，第三是ASIC以及SoC的设计。
　　基于对设计复杂程度、研发进度、研发成本以及芯片量产规模等的预测，ECU可能要对芯片的实现模式作出决策。首先是芯片实现的功能以及芯片需要集成的内容，如果芯片需要整合模拟电路、数模混合电路甚至是射频电路，那么必须采用定制IC或者数模混合IC的设计实现技术；如果芯片所需要集成和整合的内容全部是数字逻辑电路，那么FPGA、ASIC就成为可能的选择。其次是研发投入以及研发风险方面的考虑，IC／ASIC的研发投入较高，投入成本和风险都较大，SoC在研发投入和研发风险方面就更高，而FPGA在这些方面具有显著的优势。第三是从芯片可能的量产规模来考虑，IC／ASIC／SoC显然适合规模化量产，而FPGA在大规模量产(通常认为大于1万片以上的规模)的情况下具有成本上的劣势。第四是研发的进度，IC／ASIC研制周期较长，SoC研制周期更长，FPGA研制周期则很短。
　　PCB设计技术
　　ECU系统最终物化为一组互连的PCB板，因而PCB的设计、仿真分析以及生产加工制造就成为ECU研发的重要一环。由于新器件性能的提高，PCB上的高速电路问题日益突出，影响到ECU系统的性能和可靠性，直接表现为设计的ECU系统通常不能达到设计指标的要求。常见现象主要有：设计的系统只能工作在比设计规格低的时钟频率以及数据传输率上；需要严格筛选元器件，ECU系统才能正常工作；设计需要返工等。彻底解决这些问题需要长期经验的积累，以及严格规范的设计流程和设计平台。
　　HDI(高密度互联)PCB设计支持微过孔技术、埋盲孔技术等，可以迅速提升设计PCB的密度，缩小产品的面积、体积和功耗。而且在一些特殊的领域中也有重要的应用，如在依靠电池供电强调低功耗、体积小、重量轻的ECU系统中，这一点是非常重要的。
　　二次集成的模块化设计技术
　　二次集成的模块化设计是指设计工程师从事部分特殊电路芯片的研发，如符合特定应用需求的接口电路、驱动电路等，再将研发出的这部分电路芯片的裸片连同从行业采购的CPU裸片、ADC裸片等通过MCM(多芯片模块)或者混合电路的模式进行二次集成。
　　二次集成的模块化设计技术在小型化、质量可靠性、高频特性、散热等方面具有显著的优势，因而应用范围很广泛。
　　电气系统建模与仿真技术
　　机电系统的设计通常包括混合的模拟和数字电路，也包括机械、电磁以及其它的多种物理成分。与此同时，用来控制这些系统的嵌入式软件也越来越多，并且越来越复杂。
　　目前的系统设计方法通常包括创建结构框图和传递函数，而忽略了具体的物理设计实现细节。因而这样的虚拟环境不能实现系统集成，必须等到实际的物理硬件已经就绪方可进行。这种处理方法容易导致无法预测的复杂情况以及昂贵的设计变更的出现，而基于精确部件模型的系统仿真则完全可以避免这些损失。
　　Mentor公司的SystemVision应用业界标准模型和“连续验证”理念实现了革命性的突破，为ECU甚至完整的汽车设计提供虚拟实验室，支持包括电气系统以及非电气负载效用在内的完整汽车设计方案的探测。
　　车载网络设计技术
　　车载网络系统设计复杂性的提高使通讯负担加重。多个子系统之间跨网络传输信号增多，网络拓扑结构日益复杂，传统的设计方式已经不能有效解决这种复杂的网络系统设计。尤其是在整车设计中整合多个ECU子系统，可能会导致不可预测行为的出现，从而危及到整车系统的功能和性能。
　　高速增长的复杂性导致信号阻塞压制了网络性能与效率，从而引起功能之间不必要的交互。车载网络迅速膨胀以适应不断提升的ECU数目以及子系统数目的需要，可能的信号交互组合将会危害到测试的效率。信号广播方式迅速普及，越来越多的中断以及收发数据帧要求通讯负荷使用更强大也更昂贵的微处理器，并提高存储器容量。
　　为了克服这些问题，EDA企业已经开发出一整套网络与数据通信解决方案，主要支持三个方面的工作：车载网络架构设计；车载网络软件设计；车载网络测试与认证。
　　电气系统整合与互连技术
　　现代的汽车平台经常会整合80个以上的独立系统，这些电气系统通常由几百个设备以及数千个电气元件连接组成。电气系统和设备在汽车平台中的智能化分布，以及通过物理布线实现的电气系统之间的互连，成为影响最终产品质量和可靠性的关键步骤。采用合理的流程，应用相关的工具和技术可以改善电气系统的优化设计，显著减少设计和制造成本。
　　汽车平台中有关电气系统的部署及其电气分布的设计难度显著提升，迫切需要一种能够自动实现设备的智能化分配，并且依据可能的布线通道实现布线综合的解决方案。
　　这种解决方案需要支持电气的互连系统综合，并且适合所有车辆的派生及选配，支持仿真、高级分析以及下道工序的制造。这种解决方案的核心是一个中央数据库，依据该中央数据库可以自动生成相关的图表。
　　嵌入式软件技术
　　高度可靠、可多次复用并且可移植的嵌入式软件组件在提供优秀功能的同时，极大地简化了设计。就产品生命周期成本而言，软件功能的可靠性和可预测性非常有利于迅速降低产品质量保障和维护成本。
　　嵌入式软件解决方案通常包括工具套件、集成软件开发环境(IDE)以及软件IP产品。针对汽车设计的核心软件开发工具和应用程序通常包括以下内容：基于Eclipse的IDE和开发工具；针对xtUML设计的高级建模套件；完整的系统和图形化原型；OSEK标准实时操作系统。
　　未来之路
　　汽车电子电气设计的未来依存于更明确的功能驱动设计，进一步的结构优化，以及更加广泛实施的行业标准的采用，例如AUTOSAR(汽车开放系统架构)。
　　AUTOSAR标准
　　作为AUTOSAR组织中唯一的EDA公司，MentorGraphics正在积极参与和协助开发面向汽车设计的开放标准。这样的标准将进一步带动电子电气设计的迅速增长。
　　在汽车电子电气设计的发展进程中，AUTOSAR标准的采用很可能会是一个重大的转折点。AUTOSAR是一个OEM厂商(整车厂商)和第一级汽车供应商的行业大连盟，旨在通过协同工作，开发和建立汽车电子电气结构开放工业标准，这样的标准将充当未来应用和标准软件模块中面向功能管理的基础设施和架构。最主要的目标是提供标准软件API，通过这种方式确保采用一些可交换的组件来开发嵌入式软件，这种模式类似于今天的硬件组件。
　　X—by—wire(线控技术)
　　汽车中X—by—wire系统(线控转向、线控制动等)的增加进一步加剧了机电组件和子系统设计问题的复杂性，也增加了标准化API接口和设计实现的危险程度。对于X—by—wire系统来说，汽车厂商必须确保与关键平台功能相关的义务和责任的实现，因此真实强大的系统仿真就变得十分关键。为X—by—wire设计实施完善彻底的虚拟原型和验证，是确保系统和组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贵的质量责任索赔。
　　目标功能优化
　　汽车设计中，系统功能的网络化比重在稳步上升。网络复杂度的提升对确定性的设计创建、仿真和分析都提出了强烈的需求。研发厂商目前在机电一体化系统仿真、车载网络设计、与系统级设计技术接口、硬件软件协同验证和协同建模等方面都有了突破性的进展，并且得到了汽车行业的高度认可。
　　Mentor的汽车电子电气领域解决方案
　　FPGAAdvantage／ExpeditionPCB板级系统设计技术
　　Mentor公司研发的部件级设计技术可为交通运输业提供服务，如IC／ASIC／SoC芯片设计技术、FPGA$~计技术、PCB设计技术以及嵌入式软件设计技术等。为实现从设计到维护的产品生命周期全过程的高效率管理，行业对流程、方法学以及工具的需求也在不断提升。Mentor公司迅速研发出了大量新技术和新产品，帮助汽车厂商从容应对爆炸性增长的复杂汽车电子电气设计挑战。
　　Volcano通信技术
　　VOlcano是面向车载网络的自动化设计工具，支持车载网络结构设计，提供面向车载网络实际应用的目标应用软件IP包，以及支撑实际应用中CAN和LIN通讯所需的软件模块，支持多种总线系统的分析(包括CAN、LIN、MOST等)，为汽车软件、网络测试以及认证提供确定性的“架构正确”的方法。
　　SystemVision
　　SystemVision是连接多个领域(机械、电气及控制等)并且支持}昆合信号模型的系统级设计和分析技术。支持多种抽象层次(包括概念、功能、结构以及部件级)的建模和仿真；全面支持VHDL—AMS、SPICE以及c语言，从而实现机电一体化系统部件的虚拟整合；与Matlab／Simulink之间的接口支持更高层次的系统仿真。
　　Capital Harness System(CHS)
　　CHS是Mentor公司独特的线缆线束设计解决方案，提供电气分布式系统设计、仿真分析、设计数据以及管理变更、工程化以及生产分析和支持、系统集成等功能。
　　嵌入式软件解决方案
　　Mentor公司提供全面的嵌入式软件解决方案：高层次模型驱动的结构设计技术支持完全的代码生成；提供系统级仿真与原型工具；提供调试与性能分析工具；所有技术都整合在基于Eclipse单一的IDE环境之中，并且具有互操作性；提供包括RTOS以及完善的中间件在内的软件IP包。
　　结语
　　功能电子化、控制智能化、连接网络化成为汽车产业不变的追求。汽车电子电气已经成为汽车产业中最重要的核心技术，目前EDA厂商已为复杂高性能的汽车电子电气设计研发出一整套先进的产品、技术、流程和方法学。在汽车产业中，应用全新的设计技术将构成未来电子电气设计的新景象。