今天的汽車包含許多復(fù)雜的電子系統(tǒng)，每個電子系統(tǒng)都可以包含執(zhí)行單一功能的大量電子控制單元（ECU），通過網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行通信。即使復(fù)雜性增加，設(shè)計周期也面臨著縮短的壓力，因此制造商可以在競爭激烈的行業(yè)中為消費(fèi)者提供最新的安全性，燃油效率和便利性。與此同時，質(zhì)量和可靠性仍然是最重要的問題。管理這些因素的挑戰(zhàn) - 復(fù)雜的技術(shù)，上市時間和質(zhì)量 - 正在決定汽車電子的新方法，但這個方法與汽車行業(yè)本身一樣悠久。

自成立以來，汽車工業(yè)已經(jīng)將模型用于車輛設(shè)計和開發(fā)的物理和機(jī)械方面。工程師建立汽車的比例模型，以預(yù)測真實車輛在生產(chǎn)開始之前的外觀，感覺和行為。這種經(jīng)過驗證的方法同樣適用于汽車電子的設(shè)計和開發(fā)。對汽車中ECU的硅系統(tǒng)，ECU和整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，使工程師能夠在電子元件制造之前很久就評估設(shè)計備選方案，權(quán)衡權(quán)衡并預(yù)測結(jié)果。建模還簡化了故障排除，可以盡早揭示系統(tǒng)之間的危險交互，以防止可能導(dǎo)致產(chǎn)品召回的潛在災(zāi)難性后果。

本文討論了汽車電子產(chǎn)品的變化，這些變化決定了基于模型的設(shè)計和虛擬原型。虛擬原型設(shè)計與臺架測試形成對比，以說明具體的差異。描述了其他基于軟件的建模技術(shù)以闡明有效模型的要求。最后，深入探討了虛擬原型設(shè)計，并提供了使用基于模型的流程設(shè)計的汽車安全系統(tǒng)示例。

嵌入式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

汽車行業(yè)電子產(chǎn)品的爆炸性增長，特別是嵌入式系統(tǒng)軟件的發(fā)展，改變了汽車設(shè)計的動態(tài)，并帶來了重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在車輛中有多達(dá)70個ECU，最多連接5個總線 - 項目經(jīng)理和工程師面臨著這些ECU如何在內(nèi)部表現(xiàn)以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔盟a(chǎn)生的新問題。保修和質(zhì)量問題取決于能夠診斷ECU內(nèi)部和之間的困難硬件/軟件問題。 ECU之間的總線通信非常復(fù)雜且至關(guān)重要。

當(dāng)這些新挑戰(zhàn)與競爭激烈的行業(yè)需求相結(jié)合時，這些挑戰(zhàn)也在不斷升級。能夠在安全性，燃油效率和便利性方面將新功能推向市場的汽車原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商將獲得市場份額的好處。但這種新功能必須以具有競爭力的成本滿足嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到ECU的復(fù)雜性增加，它們之間的相互作用以及它們內(nèi)部的軟件擴(kuò)散，成本/質(zhì)量動態(tài)非常困難。一位寶馬高管在加利福尼亞州圣地亞哥舉行的2004年1月汽車電子會議上報告稱，ECU的50-70％的開發(fā)成本與軟件有關(guān)，而且已經(jīng)有40％的車輛成本由電子和軟件決定。

這些因素的融合正在推動汽車電子設(shè)計方法的變革，使用虛擬原型進(jìn)行基于模型的設(shè)計。傳統(tǒng)的基于硬件的工作臺開發(fā)方法已經(jīng)不夠用了。汽車制造商意識到改變嵌入式系統(tǒng)方法的難度，并且正在向其他市場的嵌入式軟件開發(fā)成功展示新的關(guān)注度。例如，據(jù)報道，通用汽車公司有兩個主要的高級戰(zhàn)略計劃：燃料電池和嵌入式軟件。

ECU和網(wǎng)絡(luò)的增長以前，ECU是相對簡單的，面向硬件的系統(tǒng)。如今，它們是多用途的多芯片計算機(jī)系統(tǒng)，其中通常在軟件中提供比硬件更多的功能。最復(fù)雜的ECU操作動力傳動系。更簡單的操作可以調(diào)節(jié)座椅和鏡子等功能，但即使是這些ECU也需要聯(lián)網(wǎng)，以便可以根據(jù)不同的駕駛員調(diào)整座椅和后視鏡。龐大的網(wǎng)絡(luò)需要一個重量超過50公斤的線束;它的許多連接器對汽車可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響，從而增加了保修成本。

汽車電子內(nèi)容增加的趨勢是許多新功能的直接結(jié)果，這些功能將大大提高安全性和舒適性，但這需要更多具有大型嵌入式軟件組件的復(fù)雜ECU。 安全功能包括線控轉(zhuǎn)向，線控制動和線控驅(qū)動（統(tǒng)稱為“X-by-wire”），自動車道跟蹤，昏昏欲睡的駕駛員檢測，智能巡航控制和安全氣囊系統(tǒng)，可根據(jù)乘客重量和事故的特定性質(zhì)調(diào)整部署。提高燃油效率是一個重要目標(biāo)：混合動力（內(nèi)燃和電池）和燃料電池電動驅(qū)動對軟件提出了很高的要求。遠(yuǎn)程信息處理和車載娛樂將進(jìn)一步增加汽車的電子內(nèi)容，需要結(jié)合無線連接，全球定位，數(shù)字廣播和互聯(lián)網(wǎng)接入等技術(shù)，盡可能使用免提語音激活。

各種因素相互作用以產(chǎn)生復(fù)雜的優(yōu)化問題。為減少接線重量，ECU應(yīng)靠近其控制的位置：例如，發(fā)動機(jī)控制ECU應(yīng)安裝在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，制動控制裝置應(yīng)靠近車輪。這會激勵ECU，每個ECU都執(zhí)行一些特定的功能。另一方面，為減少連接器數(shù)量，ECU的數(shù)量應(yīng)盡可能低。但為了保持可靠性，必須將ECU間的布線保持在最低限度，并且必須在系統(tǒng)中內(nèi)置最關(guān)鍵功能的冗余。連接ECU的網(wǎng)絡(luò)需要保證為X-by-wire等功能提供服務(wù)。

解決這一系列矛盾的要求需要采用更系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)電子系統(tǒng)的架構(gòu)。在定義整個硬件/軟件系統(tǒng)并開始詳細(xì)開發(fā)之前，必須評估許多潛在的權(quán)衡。反過來，評估需要能夠?qū)CU的網(wǎng)絡(luò)和ECU本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析。