基于模型的设计和虚拟原型的汽车电子产品变化讨论

今天的汽车包含许多复杂的电子系统，每个电子系统都可以包含执行单一功能的大量电子控制单元（ECU），通过网络层进行通信。即使复杂性增加，设计周期也面临着缩短的压力，因此制造商可以在竞争激烈的行业中为消费者提供最新的安全性，燃油效率和便利性。与此同时，质量和可靠性仍然是最重要的问题。管理这些因素的挑战 - 复杂的技术，上市时间和质量 - 正在决定汽车电子的新方法，但这个方法与汽车行业本身一样悠久。

自成立以来，汽车工业已经将模型用于车辆设计和开发的物理和机械方面。工程师建立汽车的比例模型，以预测真实车辆在生产开始之前的外观，感觉和行为。这种经过验证的方法同样适用于汽车电子的设计和开发。对汽车中ECU的硅系统，ECU和整个网络进行建模，使工程师能够在电子元件制造之前很久就评估设计备选方案，权衡权衡并预测结果。建模还简化了故障排除，可以尽早揭示系统之间的危险交互，以防止可能导致产品召回的潜在灾难性后果。

本文讨论了汽车电子产品的变化，这些变化决定了基于模型的设计和虚拟原型。虚拟原型设计与台架测试形成对比，以说明具体的差异。描述了其他基于软件的建模技术以阐明有效模型的要求。最后，深入探讨了虚拟原型设计，并提供了使用基于模型的流程设计的汽车安全系统示例。

嵌入式系统的挑战

汽车行业电子产品的爆炸性增长，特别是嵌入式系统软件的发展，改变了汽车设计的动态，并带来了重大挑战。现在车辆中有多达70个ECU，最多连接5个总线 - 项目经理和工程师面临着这些ECU如何在内部表现以及它们如何相互作用所产生的新问题。保修和质量问题取决于能够诊断ECU内部和之间的困难硬件/软件问题。 ECU之间的总线通信非常复杂且至关重要。

当这些新挑战与竞争激烈的行业需求相结合时，这些挑战也在不断升级。能够在安全性，燃油效率和便利性方面将新功能推向市场的汽车原始设备制造商和一级供应商将获得市场份额的好处。但这种新功能必须以具有竞争力的成本满足严格的质量标准。考虑到ECU的复杂性增加，它们之间的相互作用以及它们内部的软件扩散，成本/质量动态非常困难。一位宝马高管在加利福尼亚州圣地亚哥举行的2004年1月汽车电子会议上报告称，ECU的50-70％的开发成本与软件有关，而且已经有40％的车辆成本由电子和软件决定。

这些因素的融合正在推动汽车电子设计方法的变革，使用虚拟原型进行基于模型的设计。传统的基于硬件的工作台开发方法已经不够用了。汽车制造商意识到改变嵌入式系统方法的难度，并且正在向其他市场的嵌入式软件开发成功展示新的关注度。例如，据报道，通用汽车公司有两个主要的高级战略计划：燃料电池和嵌入式软件。

ECU和网络的增长以前，ECU是相对简单的，面向硬件的系统。如今，它们是多用途的多芯片计算机系统，其中通常在软件中提供比硬件更多的功能。最复杂的ECU操作动力传动系。更简单的操作可以调节座椅和镜子等功能，但即使是这些ECU也需要联网，以便可以根据不同的驾驶员调整座椅和后视镜。庞大的网络需要一个重量超过50公斤的线束;它的许多连接器对汽车可靠性产生负面影响，从而增加了保修成本。

汽车电子内容增加的趋势是许多新功能的直接结果，这些功能将大大提高安全性和舒适性，但这需要更多具有大型嵌入式软件组件的复杂ECU。 安全功能包括线控转向，线控制动和线控驱动（统称为“X-by-wire”），自动车道跟踪，昏昏欲睡的驾驶员检测，智能巡航控制和安全气囊系统，可根据乘客重量和事故的特定性质调整部署。提高燃油效率是一个重要目标：混合动力（内燃和电池）和燃料电池电动驱动对软件提出了很高的要求。远程信息处理和车载娱乐将进一步增加汽车的电子内容，需要结合无线连接，全球定位，数字广播和互联网接入等技术，尽可能使用免提语音激活。

各种因素相互作用以产生复杂的优化问题。为减少接线重量，ECU应靠近其控制的位置：例如，发动机控制ECU应安装在发动机舱内，制动控制装置应靠近车轮。这会激励ECU，每个ECU都执行一些特定的功能。另一方面，为减少连接器数量，ECU的数量应尽可能低。但为了保持可靠性，必须将ECU间的布线保持在最低限度，并且必须在系统中内置最关键功能的冗余。连接ECU的网络需要保证为X-by-wire等功能提供服务。

解决这一系列矛盾的要求需要采用更系统的方法来实现电子系统的架构。在定义整个硬件/软件系统并开始详细开发之前，必须评估许多潜在的权衡。反过来，评估需要能够对ECU的网络和ECU本身的内部结构进行定量分析。