設(shè)計挑戰(zhàn)指引汽車電子發(fā)展

photographerstories.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：汽修之家俱樂類別：汽車保養(yǎng)維修時間：2007-12-23

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

事實上，在現(xiàn)代的車頂和車體內(nèi)很可能也有電子傳感器和開關(guān)，作為機(jī)械和液壓系統(tǒng)的補(bǔ)充甚至是替身，而10年前每個系統(tǒng)都是靠制動器來驅(qū)動機(jī)械或液壓系統(tǒng)。很多這類系統(tǒng)、ECU（電子控制部件）都承擔(dān)著關(guān)鍵任務(wù)，如控制剎車、氣囊和轉(zhuǎn)向。所以，它們必須100%的可靠，容差要接近軍用和航空應(yīng)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(tǒng)和軟件設(shè)計上，但在汽車領(lǐng)域中，電子部分的設(shè)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(shè)計汽車的非電子部分，而把稱為‘筆和紙’的創(chuàng)新方法留給了電子部門。”說這話的是曾任TheMathworks汽車營銷集團(tuán)總監(jiān)、從事汽車電子設(shè)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(guī)劃這個行業(yè)。直到不久前，該行業(yè)還是機(jī)械工程師和機(jī)械設(shè)計軟件的一統(tǒng)天下。在這個汽車行業(yè)的新時代，制造商需要越來越多精通電子技術(shù)的人員以及供應(yīng)商支持架構(gòu)，才能應(yīng)對汽車領(lǐng)域特有的電子設(shè)計問題。

在ReedBusiness'2005MoversandShakers電子預(yù)測中，通用汽車公司(GeneralMotors)的研發(fā)集團(tuán)主管AlanTaub詳細(xì)解釋了通用公司面臨的業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)，通用和汽車業(yè)的其它廠商都在轉(zhuǎn)向“汽車電子化”（參考文獻(xiàn)1）。Taub描述了用于豐富駕駛體驗和使駕駛更安全的電子設(shè)備，如自適應(yīng)巡航控制、監(jiān)控汽車及駕駛者保持良好狀態(tài)的OnStar遠(yuǎn)程信息服務(wù)，甚至使汽車避免事故的高級防撞系統(tǒng)。

業(yè)界期望電子設(shè)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(jī)械系統(tǒng)。用更可靠的ECU代替液壓和機(jī)械系統(tǒng)意味著更安全的車型，減少維修次數(shù)和召回機(jī)率，汽車制造商希望最終會為自己和設(shè)計鏈上的其它部門帶來更大的利潤。

當(dāng)汽車制造業(yè)轉(zhuǎn)向混合燃料創(chuàng)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(jìn)系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)功能的應(yīng)用將使整個汽車電子設(shè)計鏈面對大量的挑戰(zhàn)。

三層系統(tǒng)

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

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

按傳統(tǒng)方式，汽車制造商要為一輛汽車設(shè)想一個粗略的電子規(guī)格，包括一個ECU表、它們的性能規(guī)范，以及關(guān)于ECU運行網(wǎng)絡(luò)的某種數(shù)據(jù)，包括低速和高速CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）、LIN（局域互連網(wǎng)絡(luò)），甚至新興的FlexRay。飛利浦半導(dǎo)體(PhilipsSemiconductors)公司汽車集團(tuán)的高級總監(jiān)JackMorgan指出：“有些制造商會詳細(xì)說明用于汽車的性能，有些甚至詳細(xì)到振動特性，但很少有制造商會說明實現(xiàn)這些規(guī)格的電子部件。他們只是做‘紙面文章’，本質(zhì)的細(xì)節(jié)要依賴供應(yīng)商�！�
建立了粗略的規(guī)格以后，汽車制造商會按規(guī)格要求進(jìn)行選購，并從第一層供應(yīng)商那里獲取投標(biāo)。有時他們對每個ECU會選取三家以上的第一層供應(yīng)商。汽車制造商一般要求供應(yīng)商在6個月內(nèi)為某個ECU提供一個原型產(chǎn)品（通常是試驗電路板），用以驗證其功能。

當(dāng)一個OEM通過了原型測試以后，第一層供應(yīng)商就開始依靠第二層供應(yīng)商的幫助，設(shè)計實際比例的模型ECU。某個第二層供應(yīng)商向兩家第一層供應(yīng)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(yīng)商將比例模型ECU提供給OEM，后者用基礎(chǔ)性的巨型布線軟件設(shè)計線束，幫助汽車制造商鋪設(shè)數(shù)英里和數(shù)百個結(jié)點連接各個ECU的電線。在此期間，ECU的規(guī)格經(jīng)常出現(xiàn)變化。而有些汽車制造商還會有多種衍生產(chǎn)品，汽車經(jīng)銷商稱之為“選項”，使得工序更加復(fù)雜化。這種情況意味著供應(yīng)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(tǒng)配置的性能和可靠性．

Friedman說：“習(xí)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(xiàn)在已經(jīng)不行了。汽車業(yè)有一種先建再測的心態(tài)：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(gòu)建一遍�！�
確實，每個汽車公司都面臨著艱巨的任務(wù)，即要在漫長的汽車設(shè)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(shù)營銷經(jīng)理DavidStone表示：“在信息娛樂領(lǐng)域的壓力特別大，消費者希望在車?yán)镘囃獾捏w驗是無縫相接的。汽車業(yè)認(rèn)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(chǎn)品的概念連結(jié)起來�！�

OEM商正在試圖通過組合標(biāo)準(zhǔn)化接口來滿足這些需求，如有線和無線USB、藍(lán)牙，以及汽車設(shè)計中采用的其它接口，并且增加平臺設(shè)計或可編程邏輯的應(yīng)用。所有這些技術(shù)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(dāng)于五或六代消費產(chǎn)品。

在過去的10~15年內(nèi)，大多數(shù)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(jié)于新的娛樂電子設(shè)備，但有些曾很簡單的功能也變得越來越復(fù)雜，如車內(nèi)照明。

StephanLehmann是飛思卡爾(Freescale)全球汽車業(yè)務(wù)的戰(zhàn)略營銷經(jīng)理。他認(rèn)為，大眾(Volkswagen)公司的Beetle是汽車中ECU數(shù)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(guān)，當(dāng)車門打開時，頂燈就會點亮。而車門關(guān)閉時，頂燈就熄滅。

這個簡單的開關(guān)已發(fā)展成為一個復(fù)雜的ECU，它通過網(wǎng)絡(luò)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(guān)閉而漸暗，并在駕駛者起動汽車后完全熄滅。它也通過網(wǎng)絡(luò)連接到氣囊控制器，當(dāng)氣囊打開時點亮頂燈，這樣車內(nèi)的人可以在撞車后更好地評估當(dāng)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(fù)雜。今天，功率控制單元已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的繼電器控制單元。

Morgan說：“今天，車燈和擋風(fēng)玻璃上的刮水器使用的功率技術(shù)實際上相當(dāng)復(fù)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(fù)載是4A，’如果負(fù)載超出此值，則燈會立即熄滅。而傳統(tǒng)的繼電器控制只會通電，如果出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)與總線

ECU通過車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)完成協(xié)調(diào)與連接。一般來說，每輛汽車至少都采用三個同時運行的網(wǎng)絡(luò)。一個標(biāo)準(zhǔn)的總線配置會將高速CAN用于傳動系統(tǒng)和安全控制，低速CAN用于車身功能，而像LIN這種子網(wǎng)則完成電動車窗的控制。

汽車中最常用的網(wǎng)絡(luò)總線是CAN。CAN有很多標(biāo)準(zhǔn)，說明它的應(yīng)用已有一些年頭，批評者稱它速度太慢，不能夠準(zhǔn)確地設(shè)置或分析通過網(wǎng)絡(luò)的信號時序。新的網(wǎng)絡(luò)速度更快，能力更強(qiáng)，如FlexRay。但是，它被采納和獲標(biāo)準(zhǔn)支持的速度緩慢。設(shè)計者也在考慮汽車信息娛樂部分使用的各種網(wǎng)絡(luò)，如MOST（面向媒體的系統(tǒng)傳輸）以及IDB（智能傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線）。

獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)

汽車電子系統(tǒng)是獨特的產(chǎn)品，因為這些設(shè)備必須在嚴(yán)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(huán)境。一般的消費產(chǎn)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(dǎo)體產(chǎn)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(yán)格的ESD/EMI要求。如果它們在汽車中出現(xiàn)故障，差不多就會造成一場災(zāi)難。汽車中的一切都要正常工作。這對電子系統(tǒng)增加了很多限制。而且還不是松散的限制，因為當(dāng)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(dǎo)體和第一層供應(yīng)商必須遵守OEMPPAT（產(chǎn)品部件認(rèn)證過程）要求以及各類標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)是AECQ100認(rèn)證，ISO9001以及ISO/TS6949（2002）是第二層供應(yīng)商的質(zhì)量指導(dǎo)方針。

很多提供模擬功率器件的供應(yīng)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(yīng)用經(jīng)理RayNotarantonio這樣表示：“我們確實像對待系統(tǒng)那樣對裸芯片和封裝作了努力。我們限定我們的器件要達(dá)到175℃，這可不是個平凡的工作。封裝也要規(guī)定達(dá)到這種水平才行�！�

盡管爭搶市場意味著IC供應(yīng)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(yè)各個領(lǐng)域都不處于景氣增長階段，汽車市場與產(chǎn)量也并不很佳，但汽車半導(dǎo)體還是提供了一個相當(dāng)高而穩(wěn)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(yè)提供產(chǎn)品。

最近的趨勢是讓OEM和第一層供應(yīng)商使用更多的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和ASSP（專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品），而少用ASIC。通用公司工程集團(tuán)經(jīng)理FredHuntzicker認(rèn)為：“過去我們的供應(yīng)商習(xí)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(xiàn)能夠滿足我們很多需求的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。”

根據(jù)StrategicAnalytics的報告，汽車領(lǐng)域ASIC的增長仍達(dá)到6.2%，而Gartner的數(shù)據(jù)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(yīng)商通常用較舊和成熟工藝幾何尺寸開發(fā)IC。

OEM希望看到第一層供應(yīng)商提供的電子產(chǎn)品使用更前沿的硅工藝，但相應(yīng)的EDA軟件和方法并不可靠和具備良好性價比，因此多數(shù)IC供應(yīng)商不會選擇這條道路。今天，工程師們?yōu)?008/2009汽車設(shè)計的大多數(shù)數(shù)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(tǒng)ECU。工程師們在今天汽車中使用的最先進(jìn)數(shù)字芯片采用的是0.25mmCMOS工藝。

面對增長緩慢甚至呆滯的EDA業(yè)，有些供應(yīng)商堅信汽

0.13mmIC的工具，業(yè)界需要的是能解決汽車設(shè)計問題的工具。

SoC意味著“汽車上的系統(tǒng)”

汽車業(yè)尤其需要實現(xiàn)三個設(shè)計層次以及針對實際系統(tǒng)級（汽車上的系統(tǒng)）設(shè)計和驗證的流暢溝通。OEM對芯片至ECU和網(wǎng)絡(luò)層的建模有一個要求，即能夠用基于模型的設(shè)計和軟件，前瞻性地設(shè)計出網(wǎng)絡(luò)和所需ECU，并能達(dá)到設(shè)計鏈后期的系統(tǒng)級規(guī)格。

迄今為止，傳統(tǒng)的EDA公司已經(jīng)涉足了汽車設(shè)計工具領(lǐng)域，如MentorGraphics和Synopsys。Mentor多年來就提供VeSys走線工具，用于汽車、飛機(jī)和家電設(shè)備機(jī)箱內(nèi)的走線，而Synopsys多年來用Saber作為自己的機(jī)械、電氣和熱仿真工具。2005年，Mentor在自己的產(chǎn)品組合中增加了一個多科目仿真工具，使用戶可以用標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)，它在2005年5月并購了Volcano通信技術(shù)公司，從而躍入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)域。Mentor并不是因為這次收購而進(jìn)入新的領(lǐng)域，Volcano也不是這一領(lǐng)域的唯一廠商。像Vector-CanTech公司也專注于汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與仿真。而像TheMathworks和VastSystemsTechnology等公司也提供先進(jìn)的ECU模型，并邁入提供OEM工具領(lǐng)域，實現(xiàn)整個電子系統(tǒng)的建模，以及快速地創(chuàng)建更精密的約束和衍生產(chǎn)品。

Volcano和Vector的工具則從相反角度打入汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)適合ECU。同時，Vector-CanTech則提供總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，包括CAN、LIN和新興的高速總線協(xié)議FlexRay。
Vast把主要精力集中在提供ECU硬件建模上，而TheMathworks可實現(xiàn)ECU硬件和軟件建模。ETAS集團(tuán)和Enea等公司則專注于軟件嵌入式建模與設(shè)計。
ETAS戰(zhàn)略營銷與通信總監(jiān)JeffKessen稱，在汽車業(yè)中，重要的是實時設(shè)計與測試。他指出：“一個高轉(zhuǎn)速下的八缸引擎每秒要計算500次燃油供應(yīng)，而ABS每秒要調(diào)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(nèi)。熱天劇烈的駕駛中，變速箱油可以達(dá)到150℃(300°F)的高溫。PC主板不可能忍受在這種條件下工作�！边@種情形意味著要求EDA供應(yīng)商進(jìn)行擴(kuò)展或與其它供應(yīng)商合作，包括熱、機(jī)械甚至液動工具供應(yīng)商。

用于汽車的電子工具很少見，原因之一是很多汽車供應(yīng)商都不愿公開自己的電子系統(tǒng)設(shè)計流程，不希望參與到聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)中。一個最有前途的標(biāo)準(zhǔn)化工作是AutoSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)），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(tuán)得到了數(shù)家歐洲汽車制造商和供應(yīng)商的支持，期望實現(xiàn)通用功能軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。該集團(tuán)希望用這種方式提高設(shè)計層面之間的溝通，加快汽車電子的設(shè)計周期。Mentor通過對Volcano的收購而成為AutoSAR的主導(dǎo)角色，因而使該公司對標(biāo)準(zhǔn)的走向有了更強(qiáng)大的影響力。

Mentor與Synopsys并不是發(fā)現(xiàn)汽車業(yè)潛在機(jī)會的唯一EDA巨頭。Cadence設(shè)計系統(tǒng)公司在2005年中稱它正在致力于一個面向汽車設(shè)計的設(shè)計工具包�，F(xiàn)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(xiàn)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(yīng)商來說，對真正汽車級系統(tǒng)工具的需求并不是新的概念。該公司曾經(jīng)提供一種名為VCC（虛擬部件協(xié)同設(shè)計）的工具，在那個時代居于領(lǐng)先地位，當(dāng)然也領(lǐng)先于汽車業(yè)對系統(tǒng)級建模的需求。

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