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作者：明導(dǎo)國際機電產(chǎn)品經(jīng)理 Darrell Teegarden 當(dāng)今汽車行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)與電信行業(yè)十多年前所經(jīng)歷的類似。混合動力電動汽車和燃料電池汽車等新技術(shù)也促進了研發(fā)活動的日趨活躍，正如我們在手機演變成多媒體設(shè)備的進程中所看到的一樣。同樣，電信業(yè)面臨著功耗和芯片尺寸限制的問題，而汽車設(shè)計師正努力將更多技術(shù)運用到過去僅僅是機械的設(shè)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)正大力推動汽車設(shè)計的發(fā)展。車載電子設(shè)備數(shù)量的比重目前為40%，而且在不斷上升，與此同時，電子控制單元的數(shù)量也在日益增加，并被分布到整個系統(tǒng)中，用以控制新應(yīng)用的精密性和復(fù)雜性。電子控制單元能包含數(shù)百個軟件組件，促使系統(tǒng)更多地采用多路復(fù)用技術(shù)，也提升了通信方面的要求。 不僅一般系統(tǒng)設(shè)計在整體上有所擴大，可以滿足不斷增加的功能和性能要求，而且這些設(shè)計必須無縫地整合模擬和數(shù)字硬件以及控制軟件。成功地整合相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)組件并完成驗證已被證明會耗費大量時間、資金和設(shè)計資源。同時這對縮短開發(fā)周期也提出了更高的要求。 要滿足新的要求就需要采用新的流程和開發(fā)工具。尤其是對這些復(fù)雜系統(tǒng)中計算機模型的開發(fā)和智能化運用（曾被視為是奢侈的事情）正在成為整個開發(fā)流程成功與否的關(guān)鍵。 為什么設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)如此之難？讓我們來看看設(shè)計流程的界限在哪里。 廣泛、多層次的供應(yīng)鏈提供的組件組裝成了汽車系統(tǒng)。將系統(tǒng)組件裝入子系統(tǒng)，子系統(tǒng)再注入系統(tǒng)的這一過程跨越了很多行業(yè)界限。這些界限為知識產(chǎn)權(quán)筑起了保護壁壘，可以防止或阻止設(shè)計信息在供應(yīng)鏈上下端的傳播。原始設(shè)備制造商領(lǐng)域里的系統(tǒng)設(shè)計師能夠從全面的子系統(tǒng)和組件性能信息中獲益。透露相關(guān)信息可能會使競爭對手利用逆向工程技術(shù)對他們的設(shè)計進行改進，因而供應(yīng)商對此十分謹(jǐn)慎。同樣，一旦原始設(shè)備制造商公布了規(guī)格，他們的供應(yīng)商也可以得到有關(guān)整個系統(tǒng)環(huán)境的詳細(xì)信息，但原始設(shè)備制造商也擔(dān)心他們在系統(tǒng)設(shè)計上的創(chuàng)新可能被供應(yīng)鏈上的競爭對手所利用。既需要傳播關(guān)鍵的性能和內(nèi)容信息，也要保護重要的設(shè)計知識產(chǎn)權(quán)，這兩者之間的沖突形成了汽車系統(tǒng)設(shè)計流程中的一個主要界限。 另一個界限是設(shè)計流程信息分布于全球各地設(shè)計中心引出的交流界限。我們需要跨越時區(qū)和語言來管理系統(tǒng)和組件設(shè)計，必須隨時為有需求者提供全面的規(guī)格和性能數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)的收發(fā)者必須明確清楚地了解這些數(shù)據(jù)，無論這些信息采用的是不是他們的母語。 技術(shù)專業(yè)化是第三個界限。在各個子系統(tǒng)中，甚至在許多組件中，必須將多種技術(shù)結(jié)合成一個整體。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(shè)計流程和術(shù)語上的差異。 再就是車載軟件在內(nèi)容上的不斷增加和相對重要性上的提升所帶來的額外挑戰(zhàn)。許多子系統(tǒng)不僅需要將硬件整合到車輛結(jié)構(gòu)中，還要將軟件整合到車輛網(wǎng)絡(luò)/加工基礎(chǔ)設(shè)施中。硬件/軟件協(xié)同驗證的問題突顯出技術(shù)專業(yè)化界限的一個新層面。 在系統(tǒng)整合階段會有常見的瓶頸出現(xiàn)。在分布式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)來自不同的內(nèi)部資源，如電子控制單元來自不同的公司，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(diào)，而分布式系統(tǒng)的本質(zhì)就是需要大量的協(xié)調(diào)。 更糟糕的是，目前公認(rèn)的設(shè)計和分析方法無法使人了解在實驗室中不受控制或無法觀察到的設(shè)計工作。將不同的子系統(tǒng)和組件整合到一個統(tǒng)一系統(tǒng)中是一個具有風(fēng)險、易出現(xiàn)麻煩且不可預(yù)知的過程。這時候如果項目中出現(xiàn)了意外問題，子系統(tǒng)和組件就需要重新設(shè)計，甚至系統(tǒng)要求也要進一步完善，而這往往會耽誤大量的時間。 整合系統(tǒng)時的重要難題之一就是具有通信能力的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(diào)追求最大能力和性能的創(chuàng)新任務(wù)。以模型化形式設(shè)計網(wǎng)絡(luò)，并分析其在極端運行環(huán)境中的特點有助于揭示問題的所在——以及優(yōu)化帶寬和安全邊際，這樣就能夠在設(shè)計過程中盡早避免代價高昂的返工和重大的生產(chǎn)延誤。 以模型為驅(qū)動的設(shè)計和分析，包括系統(tǒng)建模和仿真，能夠解決這些大量問題。在系統(tǒng)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(yīng)對復(fù)雜的問題，但迄今為止電子表格對設(shè)計師而言用途有限。真正的系統(tǒng)建模可提供一個交互式環(huán)境，設(shè)計師能夠驗證整個難題中的一小部分，而在整個難題中，任何微小的變動都會影響最終的結(jié)果。 仿真通常被認(rèn)為是有助于使系統(tǒng)中某個具體方面的設(shè)計自動化的工具，能夠從概念到實施過程連續(xù)驗證新設(shè)計。利用基于模型的設(shè)計方法，系統(tǒng)設(shè)計師能夠利用基于轉(zhuǎn)換功能、RTL、計算規(guī)則甚至是規(guī)格的模型。組件設(shè)計師能夠以設(shè)計過程中混合水平驗證方式來驗證原創(chuàng)高級系統(tǒng)模型環(huán)境下的設(shè)計實施（如電路、作用機制、邏輯或核心）。系統(tǒng)和組件設(shè)計師能夠攜手以最終設(shè)計的詳細(xì)驗證方式來驗證具體實施過程中的完整系統(tǒng)。隨著設(shè)計工作的開展，對概念和組件的不斷驗證能夠使盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題的機會增加，從而節(jié)約時間和金錢。 基于模型設(shè)計的另一個好處就是支持穩(wěn)定性設(shè)計（如六西格瑪設(shè)計）。單獨的組件模型能夠表征制造和環(huán)境的變動，因此整合系統(tǒng)模型將反映總體可變性。精準(zhǔn)度疊加能夠得到評估，合理的系統(tǒng)界限也可以建立，降低質(zhì)保成本的末端效應(yīng)也能夠?qū)崿F(xiàn)。 最重要的好處是仿真作為學(xué)習(xí)平臺的價值，盡管這個好處比較微妙，不太明確，但卻能夠得到驗證。人們很難給從研究系統(tǒng)設(shè)計、變動參數(shù)值、嘗試各種激勵和負(fù)荷狀態(tài)和測試其它配置與變量等過程中獲得的知識、直覺和見解定價。探索和學(xué)習(xí)恰恰是所有創(chuàng)新的基礎(chǔ)。 建模整體系統(tǒng)變化也能夠有助于防止設(shè)計師優(yōu)化組件卻忽視整體系統(tǒng)。例如，也許通過放低精準(zhǔn)度要求來減少一個組件的成本，但其連鎖反應(yīng)可能最終導(dǎo)致另一個組件的調(diào)整成本更高，為抵消對整個系統(tǒng)的變動而付出更高代價。只要了解這個影響，就可以在這種變動在不能取消之前就被駁回。 仿真可以做到實物硬件不能做到的事情，看到實物硬件不能看到的結(jié)果。比如，設(shè)計人員可以仿真一個在過高電壓或溫度值運行的系統(tǒng)，查看某個設(shè)備內(nèi)部的電流、通量或其它狀態(tài)的變量。另一個例子就是仿真能夠演練嵌入式控制器在其硬件外圍設(shè)備（如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、計時器等）環(huán)境下的運行。這就類似于現(xiàn)實世界中使用的電路內(nèi)模擬器，只不過在現(xiàn)實世界中使用者可以在斷點處真的把計時器停掉，而不僅僅是執(zhí)行代碼。 針對VHDL-AMS語言的IEEE 1076.1標(biāo)準(zhǔn)與多語言仿真器相結(jié)合，填補了汽車系統(tǒng)設(shè)計工藝的空白。利用建模和仿真技術(shù)，汽車系統(tǒng)設(shè)計人員可以減少知識產(chǎn)權(quán)保護相關(guān)問題、增進全球各地設(shè)計相關(guān)人員之間的溝通并對各種技術(shù)內(nèi)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(shè)計過程各階段得以保持。 借助VHDL-AMS，硬件建模非常適合用來進行網(wǎng)絡(luò)信號完整性分析。這包括收發(fā)機的模擬、數(shù)字和混合信號方面的建模，以及雙絞傳輸線、連接器和網(wǎng)絡(luò)物理層其它組件運轉(zhuǎn)情況的建模。模型由組件供應(yīng)商提供，通常在采購初期就可以拿到。最初的模型基于預(yù)期性能，但是隨著模塊設(shè)計的發(fā)展，模型也得以不斷更新和細(xì)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(chǔ)，因此不包含有關(guān)內(nèi)部設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計詳情的數(shù)據(jù)，供應(yīng)商也愿意與供應(yīng)鏈上的其他成員分享。因此，設(shè)計人員可以利用模型來組裝或分散完整的系統(tǒng)測試平臺，所有供應(yīng)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(shè)備制造商提供了一個有效的平臺，通過它傳達整體系統(tǒng)要求和個別組件的規(guī)格。 以VHDL-AMS語言編寫的模型能夠在任何支持該標(biāo)準(zhǔn)的仿真器上運行，從而提供了仿真產(chǎn)品選擇余地，通過工具廠商之間的競爭取得價格、性能和功能集方面的優(yōu)勢，所有這些都有利于汽車行業(yè)的發(fā)展。 盡管專門或?qū)Ｓ械慕：头抡婕夹g(shù)在單獨的設(shè)計活動中仍有一定用處，但成功的系統(tǒng)設(shè)計離不開廣泛合作、使用新技術(shù)以及接受相應(yīng)短期過渡成本的意愿。 基于原有可執(zhí)行規(guī)范的虛擬系統(tǒng)級整合和驗證主要是演練提供一個豐富工具整合環(huán)境。可在獲得實體硬件之前就開始進行系統(tǒng)整合，通過將各種技術(shù)相結(jié)合建立一個系統(tǒng)模型。這可能包括機械、磁、液壓和熱效應(yīng)，或其它任何可用代數(shù)或微分方程描述的技術(shù)。雖然明顯具有較高的價值，但這些優(yōu)勢只有當(dāng)眾多工作在系統(tǒng)和組件領(lǐng)域以及所有工程領(lǐng)域的設(shè)計人員都開始使用系統(tǒng)建模技術(shù)的時候才會在汽車系統(tǒng)設(shè)計上明顯表現(xiàn)出來。 |
