為什么設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)如此之難？淺談利用仿真攻克汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)今汽車行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)與電信行業(yè)十多年前所經(jīng)歷的類似?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池汽車等新技術(shù)也促進(jìn)了研發(fā)活動(dòng)的日趨活躍，正如我們?cè)谑謾C(jī)演變成多媒體設(shè)備的進(jìn)程中所看到的一樣。同樣，電信業(yè)面臨著功耗和芯片尺寸限制的問(wèn)題，而汽車設(shè)計(jì)師正努力將更多技術(shù)運(yùn)用到過(guò)去僅僅是機(jī)械的設(shè)備中。

電子、電氣、機(jī)械，硬件和軟件組件以及將其相連接的網(wǎng)絡(luò)正大力推動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的發(fā)展。車載電子設(shè)備數(shù)量的比重目前為40%，而且在不斷上升，與此同時(shí)，電子控制單元的數(shù)量也在日益增加，并被分布到整個(gè)系統(tǒng)中，用以控制新應(yīng)用的精密性和復(fù)雜性。電子控制單元能包含數(shù)百個(gè)軟件組件，促使系統(tǒng)更多地采用多路復(fù)用技術(shù)，也提升了通信方面的要求。

不僅一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)在整體上有所擴(kuò)大，可以滿足不斷增加的功能和性能要求，而且這些設(shè)計(jì)必須無(wú)縫地整合模擬和數(shù)字硬件以及控制軟件。成功地整合相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)組件并完成驗(yàn)證已被證明會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間、資金和設(shè)計(jì)資源。同時(shí)這對(duì)縮短開(kāi)發(fā)周期也提出了更高的要求。

要滿足新的要求就需要采用新的流程和開(kāi)發(fā)工具。尤其是對(duì)這些復(fù)雜系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)模型的開(kāi)發(fā)和智能化運(yùn)用（曾被視為是奢侈的事情）正在成為整個(gè)開(kāi)發(fā)流程成功與否的關(guān)鍵。

為什么設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)如此之難？讓我們來(lái)看看設(shè)計(jì)流程的界限在哪里。

廣泛、多層次的供應(yīng)鏈提供的組件組裝成了汽車系統(tǒng)。將系統(tǒng)組件裝入子系統(tǒng)，子系統(tǒng)再注入系統(tǒng)的這一過(guò)程跨越了很多行業(yè)界限。這些界限為知識(shí)產(chǎn)權(quán)筑起了保護(hù)壁壘，可以防止或阻止設(shè)計(jì)信息在供應(yīng)鏈上下端的傳播。原始設(shè)備制造商領(lǐng)域里的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠從全面的子系統(tǒng)和組件性能信息中獲益。透露相關(guān)信息可能會(huì)使競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手利用逆向工程技術(shù)對(duì)他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，因而供應(yīng)商對(duì)此十分謹(jǐn)慎。同樣，一旦原始設(shè)備制造商公布了規(guī)格，他們的供應(yīng)商也可以得到有關(guān)整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境的詳細(xì)信息，但原始設(shè)備制造商也擔(dān)心他們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新可能被供應(yīng)鏈上的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手所利用。既需要傳播關(guān)鍵的性能和內(nèi)容信息，也要保護(hù)重要的設(shè)計(jì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這兩者之間的沖突形成了汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中的一個(gè)主要界限。

另一個(gè)界限是設(shè)計(jì)流程信息分布于全球各地設(shè)計(jì)中心引出的交流界限。我們需要跨越時(shí)區(qū)和語(yǔ)言來(lái)管理系統(tǒng)和組件設(shè)計(jì)，必須隨時(shí)為有需求者提供全面的規(guī)格和性能數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)的收發(fā)者必須明確清楚地了解這些數(shù)據(jù)，無(wú)論這些信息采用的是不是他們的母語(yǔ)。

技術(shù)專業(yè)化是第三個(gè)界限。在各個(gè)子系統(tǒng)中，甚至在許多組件中，必須將多種技術(shù)結(jié)合成一個(gè)整體。為此，需要綜合電子、磁性、機(jī)械和液壓等技術(shù)，而且需要跨越不同工程學(xué)科在設(shè)計(jì)流程和術(shù)語(yǔ)上的差異。

再就是車載軟件在內(nèi)容上的不斷增加和相對(duì)重要性上的提升所帶來(lái)的額外挑戰(zhàn)。許多子系統(tǒng)不僅需要將硬件整合到車輛結(jié)構(gòu)中，還要將軟件整合到車輛網(wǎng)絡(luò)/加工基礎(chǔ)設(shè)施中。硬件/軟件協(xié)同驗(yàn)證的問(wèn)題突顯出技術(shù)專業(yè)化界限的一個(gè)新層面。

在系統(tǒng)整合階段會(huì)有常見(jiàn)的瓶頸出現(xiàn)。在分布式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)來(lái)自不同的內(nèi)部資源，如電子控制單元來(lái)自不同的公司，不同的電子控制單元有不同的算法，這些都必須得到協(xié)調(diào)，而分布式系統(tǒng)的本質(zhì)就是需要大量的協(xié)調(diào)。

更糟糕的是，目前公認(rèn)的設(shè)計(jì)和分析方法無(wú)法使人了解在實(shí)驗(yàn)室中不受控制或無(wú)法觀察到的設(shè)計(jì)工作。將不同的子系統(tǒng)和組件整合到一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)中是一個(gè)具有風(fēng)險(xiǎn)、易出現(xiàn)麻煩且不可預(yù)知的過(guò)程。這時(shí)候如果項(xiàng)目中出現(xiàn)了意外問(wèn)題，子系統(tǒng)和組件就需要重新設(shè)計(jì)，甚至系統(tǒng)要求也要進(jìn)一步完善，而這往往會(huì)耽誤大量的時(shí)間。

整合系統(tǒng)時(shí)的重要難題之一就是具有通信能力的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。盡管可選的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很多，但這些技術(shù)往往用于強(qiáng)調(diào)追求最大能力和性能的創(chuàng)新任務(wù)。以模型化形式設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，并分析其在極端運(yùn)行環(huán)境中的特點(diǎn)有助于揭示問(wèn)題的所在——以及優(yōu)化帶寬和安全邊際，這樣就能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡早避免代價(jià)高昂的返工和重大的生產(chǎn)延誤。

以模型為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和分析，包括系統(tǒng)建模和仿真，能夠解決這些大量問(wèn)題。在系統(tǒng)工程領(lǐng)域，分析方法往往有許多形式。許多企業(yè)目前使用Excel應(yīng)對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，但迄今為止電子表格對(duì)設(shè)計(jì)師而言用途有限。真正的系統(tǒng)建?？商峁┮粋€(gè)交互式環(huán)境，設(shè)計(jì)師能夠驗(yàn)證整個(gè)難題中的一小部分，而在整個(gè)難題中，任何微小的變動(dòng)都會(huì)影響最終的結(jié)果。

仿真通常被認(rèn)為是有助于使系統(tǒng)中某個(gè)具體方面的設(shè)計(jì)自動(dòng)化的工具，能夠從概念到實(shí)施過(guò)程連續(xù)驗(yàn)證新設(shè)計(jì)。利用基于模型的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠利用基于轉(zhuǎn)換功能、RTL、計(jì)算規(guī)則甚至是規(guī)格的模型。組件設(shè)計(jì)師能夠以設(shè)計(jì)過(guò)程中混合水平驗(yàn)證方式來(lái)驗(yàn)證原創(chuàng)高級(jí)系統(tǒng)模型環(huán)境下的設(shè)計(jì)實(shí)施（如電路、作用機(jī)制、邏輯或核心）。系統(tǒng)和組件設(shè)計(jì)師能夠攜手以最終設(shè)計(jì)的詳細(xì)驗(yàn)證方式來(lái)驗(yàn)證具體實(shí)施過(guò)程中的完整系統(tǒng)。隨著設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展，對(duì)概念和組件的不斷驗(yàn)證能夠使盡早發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)增加，從而節(jié)約時(shí)間和金錢(qián)。

基于模型設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處就是支持穩(wěn)定性設(shè)計(jì)（如六西格瑪設(shè)計(jì)）。單獨(dú)的組件模型能夠表征制造和環(huán)境的變動(dòng)，因此整合系統(tǒng)模型將反映總體可變性。精準(zhǔn)度疊加能夠得到評(píng)估，合理的系統(tǒng)界限也可以建立，降低質(zhì)保成本的末端效應(yīng)也能夠?qū)崿F(xiàn)。

最重要的好處是仿真作為學(xué)習(xí)平臺(tái)的價(jià)值，盡管這個(gè)好處比較微妙，不太明確，但卻能夠得到驗(yàn)證。人們很難給從研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)、變動(dòng)參數(shù)值、嘗試各種激勵(lì)和負(fù)荷狀態(tài)和測(cè)試其它配置與變量等過(guò)程中獲得的知識(shí)、直覺(jué)和見(jiàn)解定價(jià)。探索和學(xué)習(xí)恰恰是所有創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

建模整體系統(tǒng)變化也能夠有助于防止設(shè)計(jì)師優(yōu)化組件卻忽視整體系統(tǒng)。例如，也許通過(guò)放低精準(zhǔn)度要求來(lái)減少一個(gè)組件的成本，但其連鎖反應(yīng)可能最終導(dǎo)致另一個(gè)組件的調(diào)整成本更高，為抵消對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的變動(dòng)而付出更高代價(jià)。只要了解這個(gè)影響，就可以在這種變動(dòng)在不能取消之前就被駁回。

仿真可以做到實(shí)物硬件不能做到的事情，看到實(shí)物硬件不能看到的結(jié)果。比如，設(shè)計(jì)人員可以仿真一個(gè)在過(guò)高電壓或溫度值運(yùn)行的系統(tǒng)，查看某個(gè)設(shè)備內(nèi)部的電流、通量或其它狀態(tài)的變量。另一個(gè)例子就是仿真能夠演練嵌入式控制器在其硬件外圍設(shè)備（如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)時(shí)器等）環(huán)境下的運(yùn)行。這就類似于現(xiàn)實(shí)世界中使用的電路內(nèi)模擬器，只不過(guò)在現(xiàn)實(shí)世界中使用者可以在斷點(diǎn)處真的把計(jì)時(shí)器停掉，而不僅僅是執(zhí)行代碼。

針對(duì)VHDL-AMS語(yǔ)言的IEEE 1076.1標(biāo)準(zhǔn)與多語(yǔ)言仿真器相結(jié)合，填補(bǔ)了汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝的空白。利用建模和仿真技術(shù)，汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以減少知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)相關(guān)問(wèn)題、增進(jìn)全球各地設(shè)計(jì)相關(guān)人員之間的溝通并對(duì)各種技術(shù)內(nèi)容加以整合。模型兼容性可在從最初的概念探索到最終的硬件軟件驗(yàn)證的設(shè)計(jì)過(guò)程各階段得以保持。

借助VHDL-AMS，硬件建模非常適合用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)完整性分析。這包括收發(fā)機(jī)的模擬、數(shù)字和混合信號(hào)方面的建模，以及雙絞傳輸線、連接器和網(wǎng)絡(luò)物理層其它組件運(yùn)轉(zhuǎn)情況的建模。模型由組件供應(yīng)商提供，通常在采購(gòu)初期就可以拿到。最初的模型基于預(yù)期性能，但是隨著模塊設(shè)計(jì)的發(fā)展，模型也得以不斷更新和細(xì)化，到最后甚至包含了精確的制造精度。

由于使用的技術(shù)以行為模型為基礎(chǔ)，因此不包含有關(guān)內(nèi)部設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳情的數(shù)據(jù)，供應(yīng)商也愿意與供應(yīng)鏈上的其他成員分享。因此，設(shè)計(jì)人員可以利用模型來(lái)組裝或分散完整的系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，所有供應(yīng)商也可以探索和驗(yàn)證用于提高質(zhì)量的創(chuàng)新方法。它還為原始設(shè)備制造商提供了一個(gè)有效的平臺(tái)，通過(guò)它傳達(dá)整體系統(tǒng)要求和個(gè)別組件的規(guī)格。

以VHDL-AMS語(yǔ)言編寫(xiě)的模型能夠在任何支持該標(biāo)準(zhǔn)的仿真器上運(yùn)行，從而提供了仿真產(chǎn)品選擇余地，通過(guò)工具廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)取得價(jià)格、性能和功能集方面的優(yōu)勢(shì)，所有這些都有利于汽車行業(yè)的發(fā)展。

盡管專門(mén)或?qū)Ｓ械慕：头抡婕夹g(shù)在單獨(dú)的設(shè)計(jì)活動(dòng)中仍有一定用處，但成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)離不開(kāi)廣泛合作、使用新技術(shù)以及接受相應(yīng)短期過(guò)渡成本的意愿。

基于原有可執(zhí)行規(guī)范的虛擬系統(tǒng)級(jí)整合和驗(yàn)證主要是演練提供一個(gè)豐富工具整合環(huán)境?？稍讷@得實(shí)體硬件之前就開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)整合，通過(guò)將各種技術(shù)相結(jié)合建立一個(gè)系統(tǒng)模型。這可能包括機(jī)械、磁、液壓和熱效應(yīng)，或其它任何可用代數(shù)或微分方程描述的技術(shù)。雖然明顯具有較高的價(jià)值，但這些優(yōu)勢(shì)只有當(dāng)眾多工作在系統(tǒng)和組件領(lǐng)域以及所有工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員都開(kāi)始使用系統(tǒng)建模技術(shù)的時(shí)候才會(huì)在汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)上明顯表現(xiàn)出來(lái)。