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作者：明導國際機電產(chǎn)品經(jīng)理 Darrell Teegarden 當今汽車(chē)行業(yè)所面臨的挑戰與電信行業(yè)十多年前所經(jīng)歷的類(lèi)似�；旌蟿�(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)等新技術(shù)也促進(jìn)了研發(fā)活動(dòng)的日趨活躍，正如我們在手機演變成多媒體設備的進(jìn)程中所看到的一樣。同樣，電信業(yè)面臨著(zhù)功耗和芯片尺寸限制的問(wèn)題，而汽車(chē)設計師正努力將更多技術(shù)運用到過(guò)去僅僅是機械的設備中。 電子、電氣、機械，硬件和軟件組件以及將其相連接的網(wǎng)絡(luò )正大力推動(dòng)汽車(chē)設計的發(fā)展。車(chē)載電子設備數量的比重目前為40%，而且在不斷上升，與此同時(shí)，電子控制單元的數量也在日益增加，并被分布到整個(gè)系統中，用以控制新應用的精密性和復雜性。電子控制單元能包含數百個(gè)軟件組件，促使系統更多地采用多路復用技術(shù)，也提升了通信方面的要求。 不僅一般系統設計在整體上有所擴大，可以滿(mǎn)足不斷增加的功能和性能要求，而且這些設計必須無(wú)縫地整合模擬和數字硬件以及控制軟件。成功地整合相互協(xié)調的系統組件并完成驗證已被證明會(huì )耗費大量時(shí)間、資金和設計資源。同時(shí)這對縮短開(kāi)發(fā)周期也提出了更高的要求。 要滿(mǎn)足新的要求就需要采用新的流程和開(kāi)發(fā)工具。尤其是對這些復雜系統中計算機模型的開(kāi)發(fā)和智能化運用（曾被視為是奢侈的事情）正在成為整個(gè)開(kāi)發(fā)流程成功與否的關(guān)鍵。 為什么設計復雜系統如此之難？讓我們來(lái)看看設計流程的界限在哪里。 廣泛、多層次的供應鏈提供的組件組裝成了汽車(chē)系統。將系統組件裝入子系統，子系統再注入系統的這一過(guò)程跨越了很多行業(yè)界限。這些界限為知識產(chǎn)權筑起了保護壁壘，可以防止或阻止設計信息在供應鏈上下端的傳播。原始設備制造商領(lǐng)域里的系統設計師能夠從全面的子系統和組件性能信息中獲益。透露相關(guān)信息可能會(huì )使競爭對手利用逆向工程技術(shù)對他們的設計進(jìn)行改進(jìn)，因而供應商對此十分謹慎。同樣，一旦原始設備制造商公布了規格，他們的供應商也可以得到有關(guān)整個(gè)系統環(huán)境的詳細信息，但原始設備制造商也擔心他們在系統設計上的創(chuàng )新可能被供應鏈上的競爭對手所利用。既需要傳播關(guān)鍵的性能和內容信息，也要保護重要的設計知識產(chǎn)權，這兩者之間的沖突形成了汽車(chē)系統設計流程中的一個(gè)主要界限。 另一個(gè)界限是設計流程信息分布于全球各地設計中心引出的交流界限。我們需要跨越時(shí)區和語(yǔ)言來(lái)管理系統和組件設計，必須隨時(shí)為有需求者提供全面的規格和性能數據。此外，數據的收發(fā)者必須明確清楚地了解這些數據，無(wú)論這些信息采用的是不是他們的母語(yǔ)。 技術(shù)專(zhuān)業(yè)化是第三個(gè)界限。在各個(gè)子系統中，甚至在許多組件中，必須將多種技術(shù)結合成一個(gè)整體。為此，需要綜合電子、磁性、機械和液壓等技術(shù)，而且需要跨越不同工程學(xué)科在設計流程和術(shù)語(yǔ)上的差異。 再就是車(chē)載軟件在內容上的不斷增加和相對重要性上的提升所帶來(lái)的額外挑戰。許多子系統不僅需要將硬件整合到車(chē)輛結構中，還要將軟件整合到車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )/加工基礎設施中。硬件/軟件協(xié)同驗證的問(wèn)題突顯出技術(shù)專(zhuān)業(yè)化界限的一個(gè)新層面。 在系統整合階段會(huì )有常見(jiàn)的瓶頸出現。在分布式系統中，數據來(lái)自不同的內部資源，如電子控制單元來(lái)自不同的公司，不同的電子控制單元有不同的算法，這些都必須得到協(xié)調，而分布式系統的本質(zhì)就是需要大量的協(xié)調。 更糟糕的是，目前公認的設計和分析方法無(wú)法使人了解在實(shí)驗室中不受控制或無(wú)法觀(guān)察到的設計工作。將不同的子系統和組件整合到一個(gè)統一系統中是一個(gè)具有風(fēng)險、易出現麻煩且不可預知的過(guò)程。這時(shí)候如果項目中出現了意外問(wèn)題，子系統和組件就需要重新設計，甚至系統要求也要進(jìn)一步完善，而這往往會(huì )耽誤大量的時(shí)間。 整合系統時(shí)的重要難題之一就是具有通信能力的網(wǎng)絡(luò )基礎設施。盡管可選的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)很多，但這些技術(shù)往往用于強調追求最大能力和性能的創(chuàng )新任務(wù)。以模型化形式設計網(wǎng)絡(luò )，并分析其在極端運行環(huán)境中的特點(diǎn)有助于揭示問(wèn)題的所在——以及優(yōu)化帶寬和安全邊際，這樣就能夠在設計過(guò)程中盡早避免代價(jià)高昂的返工和重大的生產(chǎn)延誤。 以模型為驅動(dòng)的設計和分析，包括系統建模和仿真，能夠解決這些大量問(wèn)題。在系統工程領(lǐng)域，分析方法往往有許多形式。許多企業(yè)目前使用Excel應對復雜的問(wèn)題，但迄今為止電子表格對設計師而言用途有限。真正的系統建�？商峁┮粋�(gè)交互式環(huán)境，設計師能夠驗證整個(gè)難題中的一小部分，而在整個(gè)難題中，任何微小的變動(dòng)都會(huì )影響最終的結果。 仿真通常被認為是有助于使系統中某個(gè)具體方面的設計自動(dòng)化的工具，能夠從概念到實(shí)施過(guò)程連續驗證新設計。利用基于模型的設計方法，系統設計師能夠利用基于轉換功能、RTL、計算規則甚至是規格的模型。組件設計師能夠以設計過(guò)程中混合水平驗證方式來(lái)驗證原創(chuàng )高級系統模型環(huán)境下的設計實(shí)施（如電路、作用機制、邏輯或核心）。系統和組件設計師能夠攜手以最終設計的詳細驗證方式來(lái)驗證具體實(shí)施過(guò)程中的完整系統。隨著(zhù)設計工作的開(kāi)展，對概念和組件的不斷驗證能夠使盡早發(fā)現和解決問(wèn)題的機會(huì )增加，從而節約時(shí)間和金錢(qián)。 基于模型設計的另一個(gè)好處就是支持穩定性設計（如六西格瑪設計）。單獨的組件模型能夠表征制造和環(huán)境的變動(dòng)，因此整合系統模型將反映總體可變性。精準度疊加能夠得到評估，合理的系統界限也可以建立，降低質(zhì)保成本的末端效應也能夠實(shí)現。 最重要的好處是仿真作為學(xué)習平臺的價(jià)值，盡管這個(gè)好處比較微妙，不太明確，但卻能夠得到驗證。人們很難給從研究系統設計、變動(dòng)參數值、嘗試各種激勵和負荷狀態(tài)和測試其它配置與變量等過(guò)程中獲得的知識、直覺(jué)和見(jiàn)解定價(jià)。探索和學(xué)習恰恰是所有創(chuàng )新的基礎。 建模整體系統變化也能夠有助于防止設計師優(yōu)化組件卻忽視整體系統。例如，也許通過(guò)放低精準度要求來(lái)減少一個(gè)組件的成本，但其連鎖反應可能最終導致另一個(gè)組件的調整成本更高，為抵消對整個(gè)系統的變動(dòng)而付出更高代價(jià)。只要了解這個(gè)影響，就可以在這種變動(dòng)在不能取消之前就被駁回。 仿真可以做到實(shí)物硬件不能做到的事情，看到實(shí)物硬件不能看到的結果。比如，設計人員可以仿真一個(gè)在過(guò)高電壓或溫度值運行的系統，查看某個(gè)設備內部的電流、通量或其它狀態(tài)的變量。另一個(gè)例子就是仿真能夠演練嵌入式控制器在其硬件外圍設備（如A/D轉換器、D/A轉換器、計時(shí)器等）環(huán)境下的運行。這就類(lèi)似于現實(shí)世界中使用的電路內模擬器，只不過(guò)在現實(shí)世界中使用者可以在斷點(diǎn)處真的把計時(shí)器停掉，而不僅僅是執行代碼。 針對VHDL-AMS語(yǔ)言的IEEE 1076.1標準與多語(yǔ)言仿真器相結合，填補了汽車(chē)系統設計工藝的空白。利用建模和仿真技術(shù)，汽車(chē)系統設計人員可以減少知識產(chǎn)權保護相關(guān)問(wèn)題、增進(jìn)全球各地設計相關(guān)人員之間的溝通并對各種技術(shù)內容加以整合。模型兼容性可在從最初的概念探索到最終的硬件軟件驗證的設計過(guò)程各階段得以保持。 借助VHDL-AMS，硬件建模非常適合用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )信號完整性分析。這包括收發(fā)機的模擬、數字和混合信號方面的建模，以及雙絞傳輸線(xiàn)、連接器和網(wǎng)絡(luò )物理層其它組件運轉情況的建模。模型由組件供應商提供，通常在采購初期就可以拿到。最初的模型基于預期性能，但是隨著(zhù)模塊設計的發(fā)展，模型也得以不斷更新和細化，到最后甚至包含了精確的制造精度。 由于使用的技術(shù)以行為模型為基礎，因此不包含有關(guān)內部設備結構設計詳情的數據，供應商也愿意與供應鏈上的其他成員分享。因此，設計人員可以利用模型來(lái)組裝或分散完整的系統測試平臺，所有供應商也可以探索和驗證用于提高質(zhì)量的創(chuàng )新方法。它還為原始設備制造商提供了一個(gè)有效的平臺，通過(guò)它傳達整體系統要求和個(gè)別組件的規格。 以VHDL-AMS語(yǔ)言編寫(xiě)的模型能夠在任何支持該標準的仿真器上運行，從而提供了仿真產(chǎn)品選擇余地，通過(guò)工具廠(chǎng)商之間的競爭取得價(jià)格、性能和功能集方面的優(yōu)勢，所有這些都有利于汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。 盡管專(zhuān)門(mén)或專(zhuān)有的建模和仿真技術(shù)在單獨的設計活動(dòng)中仍有一定用處，但成功的系統設計離不開(kāi)廣泛合作、使用新技術(shù)以及接受相應短期過(guò)渡成本的意愿。 基于原有可執行規范的虛擬系統級整合和驗證主要是演練提供一個(gè)豐富工具整合環(huán)境�？稍讷@得實(shí)體硬件之前就開(kāi)始進(jìn)行系統整合，通過(guò)將各種技術(shù)相結合建立一個(gè)系統模型。這可能包括機械、磁、液壓和熱效應，或其它任何可用代數或微分方程描述的技術(shù)。雖然明顯具有較高的價(jià)值，但這些優(yōu)勢只有當眾多工作在系統和組件領(lǐng)域以及所有工程領(lǐng)域的設計人員都開(kāi)始使用系統建模技術(shù)的時(shí)候才會(huì )在汽車(chē)系統設計上明顯表現出來(lái)。 |
