設計挑戰指引汽車電子發展

www.sail-shipping.com 來源：互聯網作者：汽修之家俱樂類別：汽車保養維修時間：2007-12-23

如果你坐在一輛新款的汽車內，很快就會注意到，與五年前相比，如今車內增加了許多電子部件。除了AM/FM收音機、CD播放機以及電動門窗和后視鏡以外，還有GPS、衛星收音機、DVD/視頻屏幕、自動氣候控制以及油耗/里程監控等功能。

事實上，在現代的車頂和車體內很可能也有電子傳感器和開關，作為機械和液壓系統的補充甚至是替身，而10年前每個系統都是靠制動器來驅動機械或液壓系統。很多這類系統、ECU（電子控制部件）都承擔著關鍵任務，如控制剎車、氣囊和轉向。所以，它們必須100%的可靠，容差要接近軍用和航空應用的要求，但卻要有消費電子的價格。

今天，汽車40%的成本是花在電子系統和軟件設計上，但在汽車領域中，電子部分的設計自動化程度卻最低。

“我們過去常開玩笑，說搞車身和鈑金的用一種叫‘CAD’的新方法設計汽車的非電子部分，而把稱為‘筆和紙’的創新方法留給了電子部門。”說這話的是曾任TheMathworks汽車營銷集團總監、從事汽車電子設計的JonFriedman。

然而，受到消費者對新型“電子操控”的需求以及使汽車更加可靠的要求推動，汽車制造商正忙于重新規劃這個行業。直到不久前，該行業還是機械工程師和機械設計軟件的一統天下。在這個汽車行業的新時代，制造商需要越來越多精通電子技術的人員以及供應商支持架構，才能應對汽車領域特有的電子設計問題。

在ReedBusiness'2005MoversandShakers電子預測中，通用汽車公司(GeneralMotors)的研發集團主管AlanTaub詳細解釋了通用公司面臨的業務挑戰，通用和汽車業的其它廠商都在轉向“汽車電子化”（參考文獻1）。Taub描述了用于豐富駕駛體驗和使駕駛更安全的電子設備，如自適應巡航控制、監控汽車及駕駛者保持良好狀態的OnStar遠程信息服務，甚至使汽車避免事故的高級防撞系統。

業界期望電子設備成為一種更便宜、更安全的替代品，從而減少在汽車使用過程中快速磨損的機械系統。用更可靠的ECU代替液壓和機械系統意味著更安全的車型，減少維修次數和召回機率，汽車制造商希望最終會為自己和設計鏈上的其它部門帶來更大的利潤。

當汽車制造業轉向混合燃料創新以及探求燃料代用品時（如氫或碳），電子在其中扮演著更重要的角色。但這些先進系統及其網絡功能的應用將使整個汽車電子設計鏈面對大量的挑戰。

三層系統

今天的汽車制造商（或OEM）并不設計電子系統。他們依賴于“第一層”供應商，例如Bosch、Delphi、Visteon、Bose等70多家設計汽車電子子系統的公司。而第一層供應商則要依賴于第二層供應商，他們基本是半導體和印制電路板設計供應商，為每個ECU提供以及定制設計部件。

汽車廠在每款產品的正式推出前四年就開始了該車的設計，因此，今天的汽車制造商正在設計的是2009年的轎車、Van、SUV和卡車，這些車預計將在2008年中期面市。

按傳統方式，汽車制造商要為一輛汽車設想一個粗略的電子規格，包括一個ECU表、它們的性能規范，以及關于ECU運行網絡的某種數據，包括低速和高速CAN（控制器局域網絡）、LIN（局域互連網絡），甚至新興的FlexRay。飛利浦半導體(PhilipsSemiconductors)公司汽車集團的高級總監JackMorgan指出：“有些制造商會詳細說明用于汽車的性能，有些甚至詳細到振動特性，但很少有制造商會說明實現這些規格的電子部件。他們只是做‘紙面文章’，本質的細節要依賴供應商。”
建立了粗略的規格以后，汽車制造商會按規格要求進行選購，并從第一層供應商那里獲取投標。有時他們對每個ECU會選取三家以上的第一層供應商。汽車制造商一般要求供應商在6個月內為某個ECU提供一個原型產品（通常是試驗電路板），用以驗證其功能。

當一個OEM通過了原型測試以后，第一層供應商就開始依靠第二層供應商的幫助，設計實際比例的模型ECU。某個第二層供應商向兩家第一層供應商提供IC，從而為某家汽車制造商制造相同的ECU，這種情況并不鮮見。

供應商將比例模型ECU提供給OEM，后者用基礎性的巨型布線軟件設計線束，幫助汽車制造商鋪設數英里和數百個結點連接各個ECU的電線。在此期間，ECU的規格經常出現變化。而有些汽車制造商還會有多種衍生產品，汽車經銷商稱之為“選項”，使得工序更加復雜化。這種情況意味著供應商必須為每種ECU提供多種變型，不僅要確保自己的正常功能，還要保證不影響其它ECU以及多系統配置的性能和可靠性．

Friedman說：“習慣上，汽車公司只在最后的硬件已可用時才開始測試工作，但這種辦法現在已經不行了。汽車業有一種先建再測的心態：彎好鋼板，鍛好鋼鐵件，看看它能否工作。如果你只有一臺引擎和一輛車，可以用先建再測的辦法。但對于我們正在做的這些車，它有2000到3000種電子組合，不可能全部構建一遍。”
確實，每個汽車公司都面臨著艱巨的任務，即要在漫長的汽車設計周期和消費者對電子部件變化的需求之間作出快速平衡。NEC的技術營銷經理DavidStone表示：“在信息娛樂領域的壓力特別大，消費者希望在車里車外的體驗是無縫相接的。汽車業認識到自己所處的窘境，即要將極端可靠性和超長的計劃周期與人們每16個月甚至每年改變消費產品的概念連結起來。”

OEM商正在試圖通過組合標準化接口來滿足這些需求，如有線和無線USB、藍牙，以及汽車設計中采用的其它接口，并且增加平臺設計或可編程邏輯的應用。所有這些技術都使OEM商能更方便地按消費者的需求而作出改變，并能夠更新一輛已上路10多年的汽車電子部件，這個時間段相當于五或六代消費產品。

在過去的10~15年內，大多數汽寶馬7系列(7SeriesBMW)汽車。盡管我們可以把這種增長的大部分歸結于新的娛樂電子設備，但有些曾很簡單的功能也變得越來越復雜，如車內照明。

StephanLehmann是飛思卡爾(Freescale)全球汽車業務的戰略營銷經理。他認為，大眾(Volkswagen)公司的Beetle是汽車中ECU數量增長的一個最佳實例。Lehmann指出，老式Beetle有一個簡單的電子開關，當車門打開時，頂燈就會點亮。而車門關閉時，頂燈就熄滅。

這個簡單的開關已發展成為一個復雜的ECU，它通過網絡連接到整個車身控制器。頂燈同樣會隨著車門的打開而點亮，然后隨車門的關閉而漸暗，并在駕駛者起動汽車后完全熄滅。它也通過網絡連接到氣囊控制器，當氣囊打開時點亮頂燈，這樣車內的人可以在撞車后更好地評估當時的狀況。

即使是用于將電池能量傳送給ECU的模擬功率器件也變得更加復雜。今天，功率控制單元已經取代了傳統的繼電器控制單元。

Morgan說：“今天，車燈和擋風玻璃上的刮水器使用的功率技術實際上相當復雜。它受到微控制器的控制，微控制器告訴它使用多大功率。微控制器不只是控制通電，還會說‘我知道這盞燈的負載是4A，’如果負載超出此值，則燈會立即熄滅。而傳統的繼電器控制只會通電，如果出現短路，則只能燒毀。于是，我們就得把所有這些昂貴的部件都買來，而不是只更換燈泡或一根線就能解決。”

網絡與總線

ECU通過車內網絡完成協調與連接。一般來說，每輛汽車至少都采用三個同時運行的網絡。一個標準的總線配置會將高速CAN用于傳動系統和安全控制，低速CAN用于車身功能，而像LIN這種子網則完成電動車窗的控制。

汽車中最常用的網絡總線是CAN。CAN有很多標準，說明它的應用已有一些年頭，批評者稱它速度太慢，不能夠準確地設置或分析通過網絡的信號時序。新的網絡速度更快，能力更強，如FlexRay。但是，它被采納和獲標準支持的速度緩慢。設計者也在考慮汽車信息娛樂部分使用的各種網絡，如MOST（面向媒體的系統傳輸）以及IDB（智能傳輸系統數據總線）。

獨特的設計挑戰

汽車電子系統是獨特的產品，因為這些設備必須在嚴格的行駛條件下有100%的可靠性，但同時又要有最低的成本。Morgan說：“汽車娛樂實際上是一種獨特的環境。一般的消費產品無法用于汽車中，這是一件司空見慣的事。因此，我們所有的半導體產品都必須在范圍很寬的溫度中工作，典型范圍是從-40℃~+125℃，而且通常這些器件要具備低功耗以及滿足嚴格的ESD/EMI要求。如果它們在汽車中出現故障，差不多就會造成一場災難。汽車中的一切都要正常工作。這對電子系統增加了很多限制。而且還不是松散的限制，因為當你把所有電子部件連接到一起時，許多公差就疊加到了一起，這就不允許有極松散的限制。”

半導體和第一層供應商必須遵守OEMPPAT（產品部件認證過程）要求以及各類標準，大多數是AECQ100認證，ISO9001以及ISO/TS6949（2002）是第二層供應商的質量指導方針。

很多提供模擬功率器件的供應商［如飛思卡爾(Freescale)，飛利浦(Philips)，英飛凌(Infineon)、InternationalRectifier和NEC］都必須非常小心地建立和測試它們的公差，因為模擬器件更容易失效。例如，英飛凌在封裝和裸芯片可靠性方面下了一番功夫。

英飛凌科技公司北美汽車功率應用經理RayNotarantonio這樣表示：“我們確實像對待系統那樣對裸芯片和封裝作了努力。我們限定我們的器件要達到175℃，這可不是個平凡的工作。封裝也要規定達到這種水平才行。”

盡管爭搶市場意味著IC供應商必須作廣泛的測試，但他們表示這些都是值得的。因為，雖然電子業各個領域都不處于景氣增長階段，汽車市場與產量也并不很佳，但汽車半導體還是提供了一個相當高而穩定的收益來源（表1）。事實上，幾乎每家IC制造商都在或多或少地為汽車行業提供產品。

最近的趨勢是讓OEM和第一層供應商使用更多的標準產品和ASSP（專用標準產品），而少用ASIC。通用公司工程集團經理FredHuntzicker認為：“過去我們的供應商習慣使用定制的ASIC，以及某種程度的定制處理器。這種情況正在改變。我們趨向于更商品化的解決方案，并且正在涌現能夠滿足我們很多需求的標準解決方案。”

根據StrategicAnalytics的報告，汽車領域ASIC的增長仍達到6.2%，而Gartner的數據是9.2%（圖2）。然而，由于可靠性、成本約束和批量原因，第一層供應商通常用較舊和成熟工藝幾何尺寸開發IC。

OEM希望看到第一層供應商提供的電子產品使用更前沿的硅工藝，但相應的EDA軟件和方法并不可靠和具備良好性價比，因此多數IC供應商不會選擇這條道路。今天，工程師們為2008/2009汽車設計的大多數數字IC仍使用0.18mmCMOS。飛思卡爾PowerPC和瑞薩(Renesas)SH系列微處理器使用了0.13mm和0.12mm硅工藝，用于傳動系統ECU。工程師們在今天汽車中使用的最先進數字芯片采用的是0.25mmCMOS工藝。

面對增長緩慢甚至呆滯的EDA業，有些供應商堅信汽

0.13mmIC的工具，業界需要的是能解決汽車設計問題的工具。

SoC意味著“汽車上的系統”

汽車業尤其需要實現三個設計層次以及針對實際系統級（汽車上的系統）設計和驗證的流暢溝通。OEM對芯片至ECU和網絡層的建模有一個要求，即能夠用基于模型的設計和軟件，前瞻性地設計出網絡和所需ECU，并能達到設計鏈后期的系統級規格。

迄今為止，傳統的EDA公司已經涉足了汽車設計工具領域，如MentorGraphics和Synopsys。Mentor多年來就提供VeSys走線工具，用于汽車、飛機和家電設備機箱內的走線，而Synopsys多年來用Saber作為自己的機械、電氣和熱仿真工具。2005年，Mentor在自己的產品組合中增加了一個多科目仿真工具，使用戶可以用標準VHDL-AMS描述信號，而不必像Saber那樣使用專用語言。

Mentor似乎要走得更遠，它在2005年5月并購了Volcano通信技術公司，從而躍入網絡設計領域。Mentor并不是因為這次收購而進入新的領域，Volcano也不是這一領域的唯一廠商。像Vector-CanTech公司也專注于汽車網絡設計與仿真。而像TheMathworks和VastSystemsTechnology等公司也提供先進的ECU模型，并邁入提供OEM工具領域，實現整個電子系統的建模，以及快速地創建更精密的約束和衍生產品。

Volcano和Vector的工具則從相反角度打入汽車網絡設計領域。簡單說，Volcano要求用戶了解它們ECU的所有約束條件，然后才能使網絡適合ECU。同時，Vector-CanTech則提供總線網絡設計和仿真，用戶將其插入自己的ECU中。兩家公司均支持多個總線標準，包括CAN、LIN和新興的高速總線協議FlexRay。
Vast把主要精力集中在提供ECU硬件建模上，而TheMathworks可實現ECU硬件和軟件建模。ETAS集團和Enea等公司則專注于軟件嵌入式建模與設計。
ETAS戰略營銷與通信總監JeffKessen稱，在汽車業中，重要的是實時設計與測試。他指出：“一個高轉速下的八缸引擎每秒要計算500次燃油供應，而ABS每秒要調整10次剎車力度。”

但是，并不只是硬件配合軟件工作時需要仿真，ECU要工作在極熱的條件下，并長期在汽車中運行。Kessen說：“有些OEM商在液壓控制閥中整合了變速ECU，而這個ECU就浸泡在變速箱油內。熱天劇烈的駕駛中，變速箱油可以達到150℃(300°F)的高溫。PC主板不可能忍受在這種條件下工作。”這種情形意味著要求EDA供應商進行擴展或與其它供應商合作，包括熱、機械甚至液動工具供應商。

用于汽車的電子工具很少見，原因之一是很多汽車供應商都不愿公開自己的電子系統設計流程，不希望參與到聯合標準開發中。一個最有前途的標準化工作是AutoSAR（汽車開放系統架構），它能有助于定義所有汽車共同的ECU和軟、硬件子功能。該集團得到了數家歐洲汽車制造商和供應商的支持，期望實現通用功能軟、硬件的標準化。該集團希望用這種方式提高設計層面之間的溝通，加快汽車電子的設計周期。Mentor通過對Volcano的收購而成為AutoSAR的主導角色，因而使該公司對標準的走向有了更強大的影響力。

Mentor與Synopsys并不是發現汽車業潛在機會的唯一EDA巨頭。Cadence設計系統公司在2005年中稱它正在致力于一個面向汽車設計的設計工具包。現在還不知道該工具包中是否含有專用工具，或者只是簡單地捆綁了現有的IC、印制電路板和封裝工具，而以富有吸引力的價格提供給第二層、第一層和汽車公司。
對Cadence這家全球最大的EDA供應商來說，對真正汽車級系統工具的需求并不是新的概念。該公司曾經提供一種名為VCC（虛擬部件協同設計）的工具，在那個時代居于領先地位，當然也領先于汽車業對系統級建模的需求。

參考文獻：
1．www.reed-electronics.com/moversandshakers/article/CA6277508.