汽車的電氣化是20世紀(jì)初以來這個行業(yè)最根本性的變化。我們已經(jīng)見證了過去10多年來電子類子系統(tǒng)在常規(guī)的車輛中的擴(kuò)散，同時對混合動力和純電動汽車的增長性預(yù)測將給汽車半導(dǎo)體市場帶來顯著推動。

　　僅僅電子控制單元（ECU） 一個市場的規(guī)模在2010年就已經(jīng)接近480億美元，比2009年大約增長了29%?？傮w上來看，預(yù)計到2015年電子類汽車部品所占的比例每年都將以略低于8%的速度增長。一些應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)期將會出現(xiàn)超高的增長（超過50%），這些領(lǐng)域包括純電動汽車、平視顯示器、睡意檢測、LED 照明、停車/啟動、車道偏離警告和盲點監(jiān)控。在2010年時，電子系統(tǒng)和軟件的成本已占通用燃油動力汽車總成本的30%，在混合動力和電動汽車的總成本中占據(jù)了65%。

　　汽車電氣化是汽車制造商創(chuàng)新的關(guān)鍵。本文針對一個用于虛擬設(shè)計的平臺，分析了設(shè)計團(tuán)隊所面臨的挑戰(zhàn)和他們所需的關(guān)鍵品質(zhì)。

　　關(guān)鍵的電氣連接

　　駕駛者的體驗（包括安全性、舒適性、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)性）——汽車及其乘客間聯(lián)系的紐帶 —— 已經(jīng)變得與汽車作為交通工具這一目的同樣重要。該行業(yè)在過去20～30年一直專注于如何使車輛更加人性化。因此，電氣子系統(tǒng)支撐了很多汽車系統(tǒng)的功能。人與車之間的一些關(guān)鍵的聯(lián)系因素（包括已投入生產(chǎn)的和正在研究的兩方面）包括：

　　●駕駛員舒適性和娛樂領(lǐng)域的電氣化；

　　●動力系統(tǒng)的電氣化以降低排放；

　　●導(dǎo)航、GPS、云導(dǎo)航等對即時信息的獲得；

　　●電力架構(gòu)和功耗最小化；

　　●臨近車輛間安全駕駛，標(biāo)識/行人/分道線識別，以及不必需要駕駛員的自動駕駛。

　　要實現(xiàn)上述這些連接使汽車變得更復(fù)雜，究竟多么的更加復(fù)雜，可以從汽車工程師設(shè)計的軟件的數(shù)量分辨端倪。

　　汽車系統(tǒng)正在開始接近現(xiàn)代操作系統(tǒng)所包含的同等級的軟件復(fù)雜性——都是令人吃驚的5000萬行到3億行代碼。事實上，汽車系統(tǒng)實際上遠(yuǎn)比其更復(fù)雜，因為汽車機(jī)械電子系統(tǒng)的相互作用要遠(yuǎn)比一臺電腦更重要。汽車可以殺死你，而電腦可能不會。

　　系統(tǒng)挑戰(zhàn)

　　在2010年美國汽車工程師協(xié)會SAE）國際大會上，來自本田、通用汽車、福特、寶馬、克萊斯勒、標(biāo)致雪鐵龍和豐田的頂級工程師參加了一個“汽車制造商論壇”圓桌會議，在此間確定了汽車設(shè)計的主要系統(tǒng)挑戰(zhàn)。它們是：

　　功能和軟件配置及驗證：這項工作是當(dāng)今汽車設(shè)計的核心。它涉及確定車輛的功能，并將其分配給相應(yīng)的硬件和軟件資源。

　　系統(tǒng)工程和仿真：汽車工程師必須為實現(xiàn)電氣化而重新設(shè)計車輛中的每個系統(tǒng)。

　　發(fā)電、管理和發(fā)送：汽車的核心系統(tǒng)依然是電力的產(chǎn)生、管理和消耗，其范圍也正在被擴(kuò)展到包括動力系統(tǒng)等。

　　我們以下將更詳細(xì)地討論上述三個挑戰(zhàn)。

　　功能和軟件配置及驗證

　　汽車系統(tǒng)工程師面對的關(guān)鍵挑戰(zhàn)不只是增加可靠性，軟件使問題變得更困難。制造不發(fā)生系統(tǒng)崩潰的汽車、為駕駛員提供信息而不引起分心、并且無污染，是這個行業(yè)所面對的最重大的系統(tǒng)工程挑戰(zhàn)。最重要的是，該行業(yè)的成功取決于對這些汽車是否有足夠的需求，這就意味著設(shè)計團(tuán)隊需要不斷地頂著壓力去找到最新的“炫酷因素”。系統(tǒng)設(shè)計的本質(zhì)就是設(shè)計一個與各個物理系統(tǒng)互動的分布式計算系統(tǒng)，然后在這個分布系統(tǒng)上定義和影射軟件。

　　當(dāng)車輛中的每一個ECU都影射到一個單項的功能，并且ECU/軟件被都做成一個“黑盒子”交付時，這個任務(wù)就更加直接——這是一種意味著在現(xiàn)今的高端汽車上通常都能找到100多個ECU的方法。為減少ECU的數(shù)量，現(xiàn)有的技術(shù)可以將多種功能整合到一個ECU 中。而各項功能的復(fù)雜性也已增加，以至于多個ECU 必須通過協(xié)作來實現(xiàn)高級功能，諸如自動停車或防碰撞等功能就必須溝通和控制多個子系統(tǒng)。

　　集成系統(tǒng)時的一個大挑戰(zhàn)就是零配件總是不變地來自多家供應(yīng)商，這使得安全性和質(zhì)量打了折扣。在開始ECU-軟件集成時，可能出現(xiàn)數(shù)千個錯誤。人們越晚發(fā)現(xiàn)這些問題，解決這些問題的代價就越高。而一旦問題在汽車已交到顧客手中時才顯露出來，修復(fù)就變得非常昂貴?！渡虡I(yè)周刊》曾報道豐田在2009至2010年的召回，使公司損失超過20億美元，包括法律費用、銷售損失和保修支付。

　　系統(tǒng)工程和仿真

　　那么伴隨著車輛的電氣化，汽車設(shè)計團(tuán)隊如何能夠征服系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)呢？這個問題的著眼點不只限于軟件和電子設(shè)備——設(shè)計團(tuán)隊還必須考慮機(jī)電系統(tǒng)。可能的解決方案需要支持詳細(xì)的物理建模，概念性設(shè)計和實現(xiàn)，以及并行的、多層次的建模和驗證。

　　汽車電子的歷史已經(jīng)從簡單的發(fā)電和送電，經(jīng)過電子控制系統(tǒng)，演進(jìn)到電子駕駛系統(tǒng)。電子部件所占成本的比例已經(jīng)從10%增加到電子混合動力汽車的60%。成本不是在軟件（軟件的制造幾乎是免費的），而是構(gòu)成車輛的電子、電氣和機(jī)電組件。

　　基于模型的嵌入式系統(tǒng)工程

　　汽車制造商因為多種目的而需要模型：

　　● 分析/驗證產(chǎn)品的需要；

　　● 為電子工程系統(tǒng)定義軟件應(yīng)用；

　　● 支持仿真和驗證工廠/多物理/汽車系統(tǒng)模型。

　　因此，建模需要使用多種不同的框架：

　　● AUTOSAR——運行在一個虛擬處理器上的軟件；

　　● EAST-ADL2——運行在一個環(huán)境（包括工廠）中的軟件；

　　● VHDL-AMS/MAST——機(jī)電一體化建模和電氣系統(tǒng)；

　　● SystemC/SystemC-AMS——各種系統(tǒng)級芯片（SoC）的系統(tǒng)級描述和相互連接；

　　● SystemVerilog/Verilog-AMS——SoC實現(xiàn)，以及SPICE—IC模擬。

　　將所有這些元素匯集在一起需要一個能夠建模和進(jìn)行物理系統(tǒng)仿真的平臺，它支撐了整個系統(tǒng)的虛擬原型驗證，可用于模擬/電力電子，電力產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、輸送和機(jī)電一體化等應(yīng)用（如圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)級的物理建模和仿真

　　發(fā)電、管理和輸送

　　車輛的核心功能依然是電力的產(chǎn)生、管理和消耗。隨著電氣化的程度提高，這個趨勢則益發(fā)明顯，因為發(fā)電機(jī)現(xiàn)已成為所有這些領(lǐng)域的一個因素。所有的電氣系統(tǒng)需要利用低功耗技術(shù)，以使車輛的耗電量能夠減少，同樣也縮小電池的大小。

　　我們能夠通過優(yōu)化12/24/48V負(fù)載，減少車輛中的電線數(shù)量，并且設(shè)計更有效率的HVAC暖通空調(diào)（采暖，通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)，來降低電池上的電力負(fù)載。

　　與汽車相比，其他諸如手機(jī)行業(yè)等領(lǐng)域擁有多得多的應(yīng)用低功耗技術(shù)的經(jīng)驗。電池巡航時間在決定像Android那樣的移動軟件平臺的成功與否上扮演了重要角色。反過來，軟件在決定電池巡航時間時也發(fā)揮著很大作用。例如，一項僅為8秒鐘的更新而每10分鐘喚醒電話的應(yīng)用，能夠?qū)⑺拇龣C(jī)時間減半。任何功率效率低下的軟件或故障可以迅速導(dǎo)致其待機(jī)時間縮短5倍或更多。

　　用于節(jié)能和能源管理的、復(fù)雜的而高度分散的軟件實體必須被垂直化整合和相互協(xié)作，以確保高效地使用手機(jī)里的電池。手機(jī)的使用場景扮演了一個重要的角色，因為它們定義了手機(jī)如何與環(huán)境進(jìn)行交互。但是，當(dāng)手機(jī)被鎖住放在你的口袋里時，你怎么能去為你的手機(jī)糾錯？你怎么能確保場景都是確定匹配不同實現(xiàn)選項？

　　為功率類缺陷除錯帶來另一個重要問題。在諸如“暫?！边@樣的低功耗模式中，嵌入式系統(tǒng)的除錯服務(wù)可能也被暫停了。此外，與設(shè)備的任何除錯互動都是侵入性的并嚴(yán)重地?fù)p害功率數(shù)據(jù)。進(jìn)一步來說，如果去實施足夠精細(xì)的粒性功率分析來甄別哪個元器件最為關(guān)鍵，就需要使用昂貴的實驗設(shè)備。

　　設(shè)計師所面臨的各項挑戰(zhàn)在很多方向上都正在融合，不論他們設(shè)計的是手機(jī)抑或是電動汽車。

　　汽車工程的解決方案

　　Synopsys的設(shè)計自動化解決方案可幫助汽車制造商解決現(xiàn)今面臨的很多新興的工程挑戰(zhàn)。我們擁有用于芯片設(shè)計的解決方案（系統(tǒng)芯片SoC），并為虛擬軟件平臺驗證提供了領(lǐng)先的解決方案（虛擬原型驗證），同時我們與領(lǐng)先的軟件創(chuàng)建解決方案供應(yīng)商結(jié)為伙伴。我們也有市場領(lǐng)先的機(jī)電一體化設(shè)計工具（Saber），并引領(lǐng)包括MAST 和VHDL-AMS等廣為采用的標(biāo)準(zhǔn)語言的創(chuàng)建。Saber也是用于汽車電力系統(tǒng)的領(lǐng)先解決方案，并具有企業(yè)級布線設(shè)計的強大功能。

　　功能和軟件工程的虛擬解決方案

　　虛擬原型驗證可幫助車輛設(shè)計師克服功能、軟件配置及驗證等挑戰(zhàn)。它們在正確的抽象層提供了優(yōu)秀的除錯可視性，例如操作系統(tǒng)進(jìn)程追蹤。它們也能夠用表征功率使用情況的信息實現(xiàn)出來。它們的執(zhí)行是通過確定的場景腳本控制的，這些場景腳本驅(qū)動著虛擬原型的I/O，例如通過觸摸屏控制器生成用戶輸入，通過UART設(shè)置GPS坐標(biāo)，啟動電話呼叫等。在仿真的時候，可收集功率分析數(shù)據(jù)，同時還有其他硬件和軟件追蹤數(shù)據(jù)，以確保能夠進(jìn)行根源分析和除錯，最終使得工程師得以優(yōu)化軟件。汽車設(shè)計團(tuán)隊正越來越多地從傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向虛擬方式（如圖2所示），以管理系統(tǒng)不斷增長的復(fù)雜性。

圖2 虛擬原型汽車系統(tǒng) (Synopsys Virtualizer)

　　汽車系統(tǒng)的一款虛擬原型樣機(jī)提供了彼此互動的子系統(tǒng)的一種快速的、具有全部功能的軟件模型，可執(zhí)行未修改的生產(chǎn)代碼和提供更高的除錯分析效率。

　　系統(tǒng)工程解決方案

　　所有的系統(tǒng)都受制于各種變化，包括元器件公差、環(huán)境壓力或老化。汽車系統(tǒng)工程師希望通過設(shè)計對這些變化來源不那么敏感的系統(tǒng)，來減少相應(yīng)的系統(tǒng)性能變異效應(yīng)。Saber幫助工程師應(yīng)用穩(wěn)健可靠的設(shè)計方法，例如Taguchi 或DFSS（面向六西格瑪?shù)脑O(shè)計），并面向質(zhì)量和成本來優(yōu)化他們的機(jī)電一體化系統(tǒng)。

　　電力管理解決方案

　　Saber聯(lián)接到了Synopsys 的TCAD （晶體管級CAD）工具，使得工程團(tuán)隊能夠為電力電子系統(tǒng)實現(xiàn)更快的產(chǎn)品設(shè)計。通過將器件級物理抽象到物理系統(tǒng)，設(shè)計者能夠運用功率元器件的準(zhǔn)確而小巧的Saber模型。抽象出來的模型支持行為級電路仿真，這比器件級混合模式仿真快數(shù)十萬倍。