汽车电气/电子设计中的系统设计方法

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作者简介

本文作者是Nick Smith， Nick Smith自2001年起担任明导集成电气系统部门业务开发总监，目前仍担任该职位。在加入明导之前，他曾在 Raychem Corporation（瑞侃公司）（随后被泰科 (Tyco) 收购）担任过多个职位，包括负责多种微电子和电气互连部件的开发和产品营销。他在汽车、航空和铁路行业积累了超过15年的电气 / 线束经验。Nick 拥有丰富的国际经验，包括曾在美国工作3年。Nick 曾就读于剑桥大学 ( Cambridge University )，拥有激光物理学博士学位和高科技营销工商管理硕士学位。他不仅是多项专利的作者，而且还发表了多篇学术和行业论文。


客户与各种政府规章和要求促进了大众对汽车电气 / 电子 (E/E) 系统更多功能的需求，这种需求为负责执行这些功能的原始设备制造商 (OEM) 带来新的挑战。当然，系统开发和制造的成本巨大，但原始设备制造商必须应对的挑战远远不只是成本问题，还包括不断增加的重量、可靠性和质量问题、呈指数增长的复杂性以及政府要求等。

从整个电气系统平台而言，它具有整合所有独立电气/电子系统的独特作用。整合时可能产生需要设计修改的意外问题。通常这些问题是随着设计的逐步进行而被发现，从而会导致计划延迟，从而错过截止日期并产生代价高昂的返工。

向客户提供的配置数量引起的日益提高的复杂性以及错误成本都体现出使用系统设计途径来解决该问题的价值。系统设计方法应让 OEMs 能够维持产品质量，减少总成本，管理变化变更并满足上市时间目标。

在探讨系统设计如何能用于克服这些挑战之前，我们先详细检查部分这些问题。

电气系统重量和成本增加

在车辆中增加电缆布线和电气功能对整体重量和生产成本都会带来重大影响。例如，一些带有更多功能的豪华车包含超过5千米和大约90公斤的电缆。更多布线重量和成本令电气平台设计人员不得不权衡取舍，在成本、重量和功能之间取得最佳平衡。

更多电子功能意味着更高复杂性

设计和制造的复杂性随着电气/电子功能的增加而增加。在当今的车辆中，超量的电子模块提供着客户和法规规定需要的功能。这些功能甚至分布在大量的电子控制单元 (ECU) 中。高端汽车可能拥有多达70个ECU，从而能提供800多项功能，并通过5套系统总线相互连接。

随着电线、总线和功能的数量增加，出现潜在电路等意外问题的可能性也会增加。潜在电路中，开关和载荷的特殊结合可能导致电气功能的偶然运行或故障。

潜在电路可能带来的良性后果恰似糊涂的驾车人，但更严重的恶性后果包括丢失对安全至关重要的功能，甚至车祸。

配置：对复杂性而言是个噩梦

虽然很多人并没有意识到，但汽车已经成为市场电子消费品最复杂的一个领域。这种复杂性带来了以多种方式配置功能的机会。随着向客户提供旨在提高价值和需求，满足安全性、可靠性以及 ISO 26262 和 Euro 5 /6 排放标准等法定排放要求的功能变多，电气系统可能性配置的数量也在激增。

电气设计过程中的步骤数量乘以配置数量，如图1所示。设计人员要面对整个平台的一系列要求，他们通过几个阶段；首先将其分解为单个特性，然后分解为实现这些特性的功能。这些功能被集群到系统中，然后分配物理设备或软件中。当今现代化汽车中的嵌入式软件可多达1亿行代码。然后，原理设计与整个车辆的机械定义关联，并以物理布线系统互连起来，该系统最后被划分进线束系列。每种平台配置都有其独一无二的线束，其可以分化为数千甚至数百万个线束。

配置数量的急剧增多影响着从需求到服务文档的整个数据流。一旦销售出去，OEMs就要负责终生有效的汽车服务。法律越来越严格地要求此类数据（特指每种独一无二的汽车配置）要向所有经销商提供（而不仅是原始设备制造商网络）。

管理设计变更

以前，汽车设计的每个阶段都是一个“孤岛”，它们有自己的设计工具以及一种用来描述特定阶段的组件、输入和输出的复杂本地语言。通信通常也比较麻烦，每个步骤都需要转化和/或手动重新录入数据，从而导致冗余和延迟。这些方法难以应对当今的时间、成本和竞争压力。电气设计工程师需要能够与其他工程师及其它“孤岛”共享信息，来提升跨团队及跨部门的通信。他们需要能够更容易地理解变更的环境和影响，从而更快地执行变更，并且减少误解。

系统工程设计方法更好地管理复杂性

当今的周期时间太慢，不能有效地参与竞争和满足需求。从自上而下的系统设计开始创建详细的布线设计的过程重复而且费时间，使设计周期延长了数月。这里讨论的这些问题增加了设计和制造周期的时间，而竞争又增大了更快创造理想电气系统的压力。

不断增多的电气内容，再加上法律和供应链挑战正在推动流程变化。系统设计可让面临现代化汽车开发重压的各方受益。大量证据显示了系统设计范例在管理复杂性中的有效性，几个关键特点包括：整体性、抽象性、逐步整合和互联性。

整体性指可从整体上来看一个问题，而不是从一系列孤立的活动上来看。在汽车电气/电子设计环境中，这意味着连接各个设计领域，包括形形色色的嵌入式软件设计、电子元件设计、配电系统设计和机械设计。

V 形图表

工程设计有了相当标准的设计周期。在系统设计中，设计周期通常用“V 形图表”来表示。图2显示了完整的 V 形图表，每个步骤都列举了出来。

图2：系统设计方法可通过这个 V 型图显示。一款产品首先进行顶层的可视化处理，生成需求。然后这些需求被分解成特性和功能。下一步是完成逻辑设计，然后是不超出平台限制的物理设计。接着，组件设计进入最详细的关头（V 型图底部）。然后对设计进行“重新安排”，将印刷电路板、电子控制单元和线束等整合进最终产品。

面对与日俱增的复杂性，要想管理设计和变更，并且及早发现问题以便快速找到低成本的解决方案，需要实现高度自动化，从而在合理的时间内处理复杂问题。

要想解决这一挑战，可以采取一种结合先进软件的系统设计方法来提供数字连续性、要求追踪、归档和设计自动化，并采用涵盖生命周期各个阶段的综合性系统 V 模型。V 型图左侧代表的是需求的分解和系统规范的创建，而右侧代表的是零件的集成和验证。

利用这种方法，高度抽象化的数据被逐步分解和丰富，直到可建造的组件（软件模块、电子元件和线束等）被充分定义。然后这些组件被集成并不断验证，直到完成整个系统的装配。抽象化数据的转变可通过计算机可执行规范来自动实现（这个过程被称之为合成），从要求到组件执行都能保持全面的可追溯性。

连续性和自动化是成功的关键

市面上已推出执行系统设计方法的软件包，其中一款来自Mentor Graphics。这款软件可生成系统工程范例。执行系统设计的软件自动化应该为用户提供大量工具。下文介绍了软件包应具备的必要功能。

平台级抽象化

软件应使用一种生成方法，让布线设计通过高水平的输入自动生成，在构建时即做到准确无误。软件可以针对所有平台级配置自动生成准确的布线设计（如图3所示）。

这种方法使制造商能够掌握并发展他们具有竞争力的知识产权（IP）。系统集成很快，只需几小时即可完成以往需要花费数周时间的任务。这减少了电气设计的时间和成本，同时可以评估替代架构。

集成设计环境

软件应提供适用于更大生态系统的完整电气设计套件。设计之初就应采用能推动与第三方 MCAD、PLM 或 ALM 工具集成的 IT 架构。

管理变更

自动化应允许多种抽象化层次，并管理它们之间的联系，以便变更得到全面传递。在传递变更时要加以控制并采取智能化的方式，确保先前在较低抽象化层次下完成的任何增值工作都能保留下来。

通过紧密集成，应用于配电系统的变更能够与其他领域要求的变更协调一致以完整得实施变更：有效协调变更、节约时间并支持并行设计。

架构优化

设计人员应能够生成最详细的线束成本模型和相关报告，便于在几分钟内对几种设计方案的成本进行比较（如图4所示）。他们可在数小时内对各种广泛的布局概念进行详细准确的分析。快速准确的权衡可节省每辆汽车的成本并降低汽车重量。为不同客户开展数千次有时甚至数百万次电气设计是一项艰巨的任务，但有了这些软件工具，一个平台项目的数千个构造的零部件布局和布线可同时得到优化，从而实现更佳且成本更低的设计。更高的设计质量可降低成本和风险。


可追踪流程

用户能够对流程控制进行设计，以实现可核实和可追踪的发布流程和设计修改。该软件还可利用设计规则检查执行特定的约束条件。

尽早排查问题

应在设计早期发现问题并提供解决方案。这样才能迅速做出调整，调整相关成本要比设计后期发现问题所付出的代价低得多。通过模拟仿真，设计可在试制之前进行设计测试，这样问题就能及早发现，而在设计早期，调整成本也相对较低。软件可提供严格的故障模式效果分析，以确定可能只被客户发现的问题。如果问题只被客户发现，厂家的声誉和利润都将严重受损。

设计阶段完善数据

线束开发是车辆设计和制造过程的转折点。在线束开发环境下，关键设计数据可经过完善转变成可制造的产品。软件工具套件需通过实现数据连续性为该流程提供支持，贯穿从最早的设计工作（获取电气功能需求和物理需求）到实施的各个流程阶段。应交付产品为附有详细文档资料的完整线束产品。

管理复杂性，避免召回和延误带来的重大损失

没有认识到电子 / 电气系统所发挥的特殊作用可能会造成召回或延误等严重后果，从而使厂家蒙受重大损失。例如，已造成重大经济损失的空客 A380 大型喷气式客气的布线故障本质上是机械和电气工程师在管理数据连续性和信息流方面的失职。通过系统设计 V 模型右侧的整合和验证流程便可避免这种最坏结果的发生。