Mentor Graphics：汽車電氣/電子設(shè)計中的系統(tǒng)設(shè)計

Mentor Graphics

2014-11-10 11:14 41404

客戶與各種政府規(guī)章和要求促進了大眾對汽車電氣 / 電子 (E/E) 系統(tǒng)更多功能的需求，這種需求為負責(zé)執(zhí)行這些功能的原始設(shè)備制造商 (OEM) 帶來新的挑戰(zhàn)。

上海2014年11月10日電 /美通社/ -- 電子設(shè)計自動化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics 近日發(fā)布一份題為《汽車電氣 / 電子設(shè)計中的系統(tǒng)設(shè)計》的研究報告。

客戶與各種政府規(guī)章和要求促進了大眾對汽車電氣 / 電子 (E/E) 系統(tǒng)更多功能的需求，這種需求為負責(zé)執(zhí)行這些功能的原始設(shè)備制造商 (OEM) 帶來新的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，系統(tǒng)開發(fā)和制造的成本巨大，但原始設(shè)備制造商必須應(yīng)對的挑戰(zhàn)遠遠不只是成本問題，還包括不斷增加的重量、可靠性和質(zhì)量問題、呈指數(shù)增長的復(fù)雜性以及政府要求等。

從整個電氣系統(tǒng)平臺而言，它具有整合所有獨立電氣/電子系統(tǒng)的獨特作用。整合時可能產(chǎn)生需要設(shè)計修改的意外問題。通常這些問題是隨著設(shè)計的逐步進行而被發(fā)現(xiàn)，從而會導(dǎo)致計劃延遲，從而錯過截止日期并產(chǎn)生代價高昂的返工。

向客戶提供的配置數(shù)量引起的日益提高的復(fù)雜性以及錯誤成本都體現(xiàn)出使用系統(tǒng)設(shè)計途徑來解決該問題的價值。系統(tǒng)設(shè)計方法應(yīng)讓 OEMs 能夠維持產(chǎn)品質(zhì)量，減少總成本，管理變化變更并滿足上市時間目標(biāo)。

在探討系統(tǒng)設(shè)計如何能用于克服這些挑戰(zhàn)之前，我們先詳細檢查部分這些問題。

電氣系統(tǒng)重量和成本增加

在車輛中增加電纜布線和電氣功能對整體重量和生產(chǎn)成本都會帶來重大影響。例如，一些帶有更多功能的豪華車包含超過5千米和大約90公斤的電纜。更多布線重量和成本令電氣平臺設(shè)計人員不得不權(quán)衡取舍，在成本、重量和功能之間取得較佳平衡。

更多電子功能意味著更高復(fù)雜性

設(shè)計和制造的復(fù)雜性隨著電氣/電子功能的增加而增加。在當(dāng)今的車輛中，超量的電子模塊提供著客戶和法規(guī)規(guī)定需要的功能。這些功能甚至分布在大量的電子控制單元 (ECU) 中。高端汽車可能擁有多達70個ECU，從而能提供800多項功能，并通過5套系統(tǒng)總線相互連接。

隨著電線、總線和功能的數(shù)量增加，出現(xiàn)潛在電路等意外問題的可能性也會增加。潛在電路中，開關(guān)和載荷的特殊結(jié)合可能導(dǎo)致電氣功能的偶然運行或故障。

潛在電路可能帶來的良性后果恰似糊涂的駕車人，但更嚴重的惡性后果包括丟失對安全至關(guān)重要的功能，甚至車禍。

配置：對復(fù)雜性而言是個噩夢

雖然很多人并沒有意識到，但汽車已經(jīng)成為市場電子消費品較復(fù)雜的一個領(lǐng)域。這種復(fù)雜性帶來了以多種方式配置功能的機會。隨著向客戶提供旨在提高價值和需求，滿足安全性、可靠性以及 ISO 26262 和 Euro 5/6 排放標(biāo)準(zhǔn)等法定排放要求的功能變多，電氣系統(tǒng)可能性配置的數(shù)量也在激增。

電氣設(shè)計過程中的步驟數(shù)量乘以配置數(shù)量，如圖1所示。設(shè)計人員要面對整個平臺的一系列要求，他們通過幾個階段；首先將其分解為單個特性，然后分解為實現(xiàn)這些特性的功能。這些功能被集群到系統(tǒng)中，然后分配物理設(shè)備或軟件中。當(dāng)今現(xiàn)代化汽車中的嵌入式軟件可多達1億行代碼。然后，原理設(shè)計與整個車輛的機械定義關(guān)聯(lián)，并以物理布線系統(tǒng)互連起來，該系統(tǒng)最后被劃分進線束系列。每種平臺配置都有其獨一無二的線束，其可以分化為數(shù)千甚至數(shù)百萬個線束。

圖1：該圖表說明，增加汽車的客戶可選功能會迅速導(dǎo)致可能的配置數(shù)量驚人的大。

配置數(shù)量的急劇增多影響著從需求到服務(wù)文檔的整個數(shù)據(jù)流。一旦銷售出去，OEMs就要負責(zé)終生有效的汽車服務(wù)。法律越來越嚴格地要求此類數(shù)據(jù)（特指每種獨一無二的汽車配置）要向所有經(jīng)銷商提供（而不僅是原始設(shè)備制造商網(wǎng)絡(luò)）。

管理設(shè)計變更

以前，汽車設(shè)計的每個階段都是一個“孤島”，它們有自己的設(shè)計工具以及一種用來描述特定階段的組件、輸入和輸出的復(fù)雜本地語言。通信通常也比較麻煩，每個步驟都需要轉(zhuǎn)化和/或手動重新錄入數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致冗余和延遲。這些方法難以應(yīng)對當(dāng)今的時間、成本和競爭壓力。電氣設(shè)計工程師需要能夠與其他工程師及其它“孤島”共享信息，來提升跨團隊及跨部門的通信。他們需要能夠更容易地理解變更的環(huán)境和影響，從而更快地執(zhí)行變更，并且減少誤解。

系統(tǒng)工程設(shè)計方法更好地管理復(fù)雜性

當(dāng)今的周期時間太慢，不能有效地參與競爭和滿足需求。從自上而下的系統(tǒng)設(shè)計開始創(chuàng)建詳細的布線設(shè)計的過程重復(fù)而且費時間，使設(shè)計周期延長了數(shù)月。這里討論的這些問題增加了設(shè)計和制造周期的時間，而競爭又增大了更快創(chuàng)造理想電氣系統(tǒng)的壓力。

不斷增多的電氣內(nèi)容，再加上法律和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)正在推動流程變化。系統(tǒng)設(shè)計可讓面臨現(xiàn)代化汽車開發(fā)重壓的各方受益。大量證據(jù)顯示了系統(tǒng)設(shè)計范例在管理復(fù)雜性中的有效性，幾個關(guān)鍵特點包括：整體性、抽象性、逐步整合和互聯(lián)性。

整體性指可從整體上來看一個問題，而不是從一系列孤立的活動上來看。在汽車電氣/電子設(shè)計環(huán)境中，這意味著連接各個設(shè)計領(lǐng)域，包括形形色色的嵌入式軟件設(shè)計、電子元件設(shè)計、配電系統(tǒng)設(shè)計和機械設(shè)計。

V 形圖表

工程設(shè)計有了相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計周期。在系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計周期通常用“V 形圖表”來表示。圖2顯示了完整的 V 形圖表，每個步驟都列舉了出來。

圖2：系統(tǒng)設(shè)計方法可通過這個 V 型圖顯示。一款產(chǎn)品首先進行頂層的可視化處理，生成需求。然后這些需求被分解成特性和功能。下一步是完成邏輯設(shè)計，然后是不超出平臺限制的物理設(shè)計。接著，組件設(shè)計進入詳細的關(guān)頭（V 型圖底部）。然后對設(shè)計進行“重新安排”，將印刷電路板、電子控制單元和線束等整合進最終產(chǎn)品。

面對與日俱增的復(fù)雜性，要想管理設(shè)計和變更，并且及早發(fā)現(xiàn)問題以便快速找到低成本的解決方案，需要實現(xiàn)高度自動化，從而在合理的時間內(nèi)處理復(fù)雜問題。

要想解決這一挑戰(zhàn)，可以采取一種結(jié)合先進軟件的系統(tǒng)設(shè)計方法來提供數(shù)字連續(xù)性、要求追蹤、歸檔和設(shè)計自動化，并采用涵蓋生命周期各個階段的綜合性系統(tǒng) V 模型。V 型圖左側(cè)代表的是需求的分解和系統(tǒng)規(guī)范的創(chuàng)建，而右側(cè)代表的是零件的集成和驗證。

利用這種方法，高度抽象化的數(shù)據(jù)被逐步分解和豐富，直到可建造的組件（軟件模塊、電子元件和線束等）被充分定義。然后這些組件被集成并不斷驗證，直到完成整個系統(tǒng)的裝配。抽象化數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變可通過計算機可執(zhí)行規(guī)范來自動實現(xiàn)（這個過程被稱之為合成），從要求到組件執(zhí)行都能保持全面的可追溯性。

連續(xù)性和自動化是成功的關(guān)鍵

市面上已推出執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計方法的軟件包，其中一款來自Mentor Graphics。這款軟件可生成系統(tǒng)工程范例。執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計的軟件自動化應(yīng)該為用戶提供大量工具。下文介紹了軟件包應(yīng)具備的必要功能。

平臺級抽象化

軟件應(yīng)使用一種生成方法，讓布線設(shè)計通過高水平的輸入自動生成，在構(gòu)建時即做到準(zhǔn)確無誤。軟件可以針對所有平臺級配置自動生成準(zhǔn)確的布線設(shè)計（如圖3所示）。

圖3：通過自動化，系統(tǒng)能夠完成合乎邏輯的初步設(shè)計。隨著設(shè)計的進程，軟件將不斷“完善”數(shù)據(jù)。

這種方法使制造商能夠掌握并發(fā)展他們具有競爭力的知識產(chǎn)權(quán)（IP）。系統(tǒng)集成很快，只需幾小時即可完成以往需要花費數(shù)周時間的任務(wù)。這減少了電氣設(shè)計的時間和成本，同時可以評估替代架構(gòu)。

集成設(shè)計環(huán)境

軟件應(yīng)提供適用于更大生態(tài)系統(tǒng)的完整電氣設(shè)計套件。設(shè)計之初就應(yīng)采用能推動與第三方 MCAD、PLM 或 ALM 工具集成的 IT 架構(gòu)。

管理變更

自動化應(yīng)允許多種抽象化層次，并管理它們之間的聯(lián)系，以便變更得到全面?zhèn)鬟f。在傳遞變更時要加以控制并采取智能化的方式，確保先前在較低抽象化層次下完成的任何增值工作都能保留下來。

通過緊密集成，應(yīng)用于配電系統(tǒng)的變更能夠與其他領(lǐng)域要求的變更協(xié)調(diào)一致以完整得實施變更：有效協(xié)調(diào)變更、節(jié)約時間并支持并行設(shè)計。

架構(gòu)優(yōu)化

設(shè)計人員應(yīng)能夠生成詳細的線束成本模型和相關(guān)報告，便于在幾分鐘內(nèi)對幾種設(shè)計方案的成本進行比較（如圖4所示）。他們可在數(shù)小時內(nèi)對各種廣泛的布局概念進行詳細準(zhǔn)確的分析?？焖贉?zhǔn)確的權(quán)衡可節(jié)省每輛汽車的成本并降低汽車重量。為不同客戶開展數(shù)千次有時甚至數(shù)百萬次電氣設(shè)計是一項艱巨的任務(wù)，但有了這些軟件工具，一個平臺項目的數(shù)千個構(gòu)造的零部件布局和布線可同時得到優(yōu)化，從而實現(xiàn)更佳且成本更低的設(shè)計。更高的設(shè)計質(zhì)量可降低成本和風(fēng)險。

圖4：系統(tǒng)設(shè)計軟件實現(xiàn)輕松權(quán)衡比較，從而使設(shè)計人員能夠快速敲定較佳設(shè)計方案。

可追蹤流程

用戶能夠?qū)α鞒炭刂七M行設(shè)計，以實現(xiàn)可核實和可追蹤的發(fā)布流程和設(shè)計修改。該軟件還可利用設(shè)計規(guī)則檢查執(zhí)行特定的約束條件。

盡早排查問題

應(yīng)在設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)問題并提供解決方案。這樣才能迅速做出調(diào)整，調(diào)整相關(guān)成本要比設(shè)計后期發(fā)現(xiàn)問題所付出的代價低得多。通過模擬仿真，設(shè)計可在試制之前進行設(shè)計測試，這樣問題就能及早發(fā)現(xiàn)，而在設(shè)計早期，調(diào)整成本也相對較低。軟件可提供嚴格的故障模式效果分析，以確定可能只被客戶發(fā)現(xiàn)的問題。如果問題只被客戶發(fā)現(xiàn)，廠家的聲譽和利潤都將嚴重受損。

設(shè)計階段完善數(shù)據(jù)

線束開發(fā)是車輛設(shè)計和制造過程的轉(zhuǎn)折點。在線束開發(fā)環(huán)境下，關(guān)鍵設(shè)計數(shù)據(jù)可經(jīng)過完善轉(zhuǎn)變成可制造的產(chǎn)品。軟件工具套件需通過實現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)性為該流程提供支持，貫穿從較早的設(shè)計工作（獲取電氣功能需求和物理需求）到實施的各個流程階段。應(yīng)交付產(chǎn)品為附有詳細文檔資料的完整線束產(chǎn)品。

管理復(fù)雜性，避免召回和延誤帶來的重大損失

沒有認識到電子 / 電氣系統(tǒng)所發(fā)揮的特殊作用可能會造成召回或延誤等嚴重后果，從而使廠家蒙受重大損失。例如，已造成重大經(jīng)濟損失的空客 A380 大型噴氣式客氣的布線故障本質(zhì)上是機械和電氣工程師在管理數(shù)據(jù)連續(xù)性和信息流方面的失職。通過系統(tǒng)設(shè)計 V 模型右側(cè)的整合和驗證流程便可避免這種最壞結(jié)果的發(fā)生。

實施系統(tǒng)設(shè)計方法有助于車輛生產(chǎn)商在未來保證品質(zhì)和保持利潤率。Mentor Graphics的 Capital 工具可通過在整個電氣平臺提供數(shù)據(jù)連續(xù)性和設(shè)計自動化實現(xiàn)成功的變化管理，從而有助于管理和應(yīng)對車輛設(shè)計領(lǐng)域所面臨的電子器件不斷增多的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。

Nick Smith 自2001年起擔(dān)任明導(dǎo)集成電氣系統(tǒng)部門業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)，目前仍擔(dān)任該職位。在加入明導(dǎo)之前，他曾在 Raychem Corporation（瑞侃公司）（隨后被泰科 (Tyco) 收購）擔(dān)任過多個職位，包括負責(zé)多種微電子和電氣互連部件的開發(fā)和產(chǎn)品營銷。他在汽車、航空和鐵路行業(yè)積累了超過15年的電氣 / 線束經(jīng)驗。Nick 擁有豐富的國際經(jīng)驗，包括曾在美國工作3年。Nick 曾就讀于劍橋大學(xué) (Cambridge University)，擁有激光物理學(xué)博士學(xué)位和高科技營銷工商管理碩士學(xué)位。他不僅是多項專利的作者，而且還發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)和行業(yè)論文。

作者簡介

Nick Smith 自2001年起擔(dān)任明導(dǎo)集成電氣系統(tǒng)部門業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)，目前仍擔(dān)任該職位。在加入明導(dǎo)之前，他曾在 Raychem Corporation（瑞侃公司）（隨后被泰科 (Tyco) 收購）擔(dān)任過多個職位，包括負責(zé)多種微電子和電氣互連部件的開發(fā)和產(chǎn)品營銷。他在汽車、航空和鐵路行業(yè)積累了超過15年的電氣/線束經(jīng)驗。Nick 擁有豐富的國際經(jīng)驗，包括曾在美國工作3年。Nick 曾就讀于劍橋大學(xué) (Cambridge University)，擁有激光物理學(xué)博士學(xué)位和高科技營銷工商管理碩士學(xué)位。他不僅是多項專利的作者，而且還發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)和行業(yè)論文。