基于虛擬平臺(tái)的電動(dòng)汽車的虛擬設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案

　　汽車的電氣化是20世紀(jì)初以來這個(gè)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(shí)對(duì)混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)性預(yù)測(cè)將給汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)帶來顯著推動(dòng)。

　　僅僅電子控制單元（ECU） 一個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模在2010年就已經(jīng)接近480億美元，比2009年大約增長(zhǎng)了29%?？傮w上來看，預(yù)計(jì)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(zhǎng)。一些應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)期將會(huì)出現(xiàn)超高的增長(zhǎng)（超過50%），這些領(lǐng)域包括純電動(dòng)汽車、平視顯示器、睡意檢測(cè)、LED 照明、停車/啟動(dòng)、車道偏離警告和盲點(diǎn)監(jiān)控。在2010年時(shí)，電子系統(tǒng)和軟件的成本已占通用燃油動(dòng)力汽車總成本的30%，在混合動(dòng)力和電動(dòng)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(duì)一個(gè)用于虛擬設(shè)計(jì)的平臺(tái)，分析了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(yàn)（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(dòng)力系統(tǒng)的電氣化以降低排放；

　　●導(dǎo)航、GPS、云導(dǎo)航等對(duì)即時(shí)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(shí)/行人/分道線識(shí)別，以及不必需要駕駛員的自動(dòng)駕駛。

　　要實(shí)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(jì)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(jí)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(shí)上，汽車系統(tǒng)實(shí)際上遠(yuǎn)比其更復(fù)雜，因?yàn)槠嚈C(jī)械電子系統(tǒng)的相互作用要遠(yuǎn)比一臺(tái)電腦更重要。汽車可以殺死你，而電腦可能不會(huì)。

　　系統(tǒng)挑戰(zhàn)

　　在2010年美國汽車工程師協(xié)會(huì)SAE）國際大會(huì)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(jí)工程師參加了一個(gè)“汽車制造商論壇”圓桌會(huì)議，在此間確定了汽車設(shè)計(jì)的主要系統(tǒng)挑戰(zhàn)。它們是：

　　功能和軟件配置及驗(yàn)證：這項(xiàng)工作是當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電氣化而重新設(shè)計(jì)車輛中的每個(gè)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(dòng)力系統(tǒng)等。

　　我們以下將更詳細(xì)地討論上述三個(gè)挑戰(zhàn)。

　　功能和軟件配置及驗(yàn)證

　　汽車系統(tǒng)工程師面對(duì)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(gè)行業(yè)所面對(duì)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(duì)這些汽車是否有足夠的需求，這就意味著設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)的本質(zhì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)與各個(gè)物理系統(tǒng)互動(dòng)的分布式計(jì)算系統(tǒng)，然后在這個(gè)分布系統(tǒng)上定義和影射軟件。

　　當(dāng)車輛中的每一個(gè)ECU都影射到一個(gè)單項(xiàng)的功能，并且ECU/軟件被都做成一個(gè)“黑盒子”交付時(shí)，這個(gè)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(gè)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(gè)ECU 中。而各項(xiàng)功能的復(fù)雜性也已增加，以至于多個(gè)ECU 必須通過協(xié)作來實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能，諸如自動(dòng)停車或防碰撞等功能就必須溝通和控制多個(gè)子系統(tǒng)。

　　集成系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)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(shí)，可能出現(xiàn)數(shù)千個(gè)錯(cuò)誤。人們?cè)酵戆l(fā)現(xiàn)這些問題，解決這些問題的代價(jià)就越高。而一旦問題在汽車已交到顧客手中時(shí)才顯露出來，修復(fù)就變得非常昂貴?！渡虡I(yè)周刊》曾報(bào)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(fèi)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(jì)團(tuán)隊(duì)如何能夠征服系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？這個(gè)問題的著眼點(diǎn)不只限于軟件和電子設(shè)備——設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及并行的、多層次的建模和驗(yàn)證。

　　汽車電子的歷史已經(jīng)從簡(jiǎn)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(dòng)力汽車的60%。成本不是在軟件（軟件的制造幾乎是免費(fèi)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?yàn)槎喾N目的而需要模型：

　　● 分析/驗(yàn)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(yàn)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(yùn)行在一個(gè)虛擬處理器上的軟件；

　　● EAST-ADL2——運(yùn)行在一個(gè)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(jí)芯片（SoC）的系統(tǒng)級(jí)描述和相互連接；

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

　　將所有這些元素匯集在一起需要一個(gè)能夠建模和進(jìn)行物理系統(tǒng)仿真的平臺(tái)，它支撐了整個(gè)系統(tǒng)的虛擬原型驗(yàn)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(jí)的物理建模和仿真