内容导读：

　　汽车业采用了先进的机械设计工具，但可以从电子系统设计自动化中获益。
　　要 点
　　电子设备及软件占汽车成本的40%。
　　汽车IC必须非常可靠和价格低廉。
　　汽车制造商在新车上市的头四年就开始设计。
　　通用汽车(GM)公司 2004 年的净收入是 1930 亿美元。整个半导体业 2004 年的总收入是 2130 亿美元。
　　根据 NHTSA（国家高速交通安全机构）统计，2004 年有 2500 多辆汽车被召回，高于以往任何一年。

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　　如果你坐在一辆新款的汽车内，很快就会注意到，与五年前相比，如今车内增加了许多电子部件。除了AM/FM 收音机、CD 播放机以及电动门窗和后视镜以外，还有 GPS、卫星收音机、DVD/视频屏幕、自动气候控制以及油耗/里程监控等功能。

　　事实上，在现代的车顶和车体内很可能也有电子传感器和开关，作为机械和液压系统的补充甚至是替身，而 10 年前每个系统都是靠制动器来驱动机械或液压系统。很多这类系统、ECU（电子控制部件）都承担着关键任务，如控制刹车、气囊和转向。所以，它们必须 100% 的可靠，容差要接近军用和航空应用的要求，但却要有消费电子的价格。

　　今天，汽车 40% 的成本是花在电子系统和软件设计上，但在汽车领域中，电子部分的设计自动化程度却最低。

　　“我们过去常开玩笑，说搞车身和钣金的用一种叫‘CAD’的新方法设计汽车的非电子部分，而把称为‘笔和纸’的创新方法留给了电子部门。”说这话的是曾任 The Mathworks 汽车营销集团总监、从事汽车电子设计的 Jon Friedman。

　　然而，受到消费者对新型“电子操控”的需求以及使汽车更加可靠的要求推动，汽车制造商正忙于重新规划这个行业。直到不久前，该行业还是机械工程师和机械设计软件的一统天下。在这个汽车行业的新时代，制造商需要越来越多精通电子技术的人员以及供应商支持架构，才能应对汽车领域特有的电子设计问题。

　　在Reed Business'' 2005 Movers and Shakers 电子预测中，通用汽车公司(General Motors)的研发集团主管Alan Taub详细解释了通用公司面临的业务挑战，通用和汽车业的其它厂商都在转向“汽车电子化”（参考文献1）。Taub描述了用于丰富驾驶体验和使驾驶更安全的电子设备，如自适应巡航控制、监控汽车及驾驶者保持良好状态的 OnStar 远程信息服务，甚至使汽车避免事故的高级防撞系统。

　　业界期望电子设备成为一种更便宜、更安全的替代品，从而减少在汽车使用过程中快速磨损的机械系统。用更可靠的 ECU 代替液压和机械系统意味着更安全的车型，减少维修次数和召回机率，汽车制造商希望最终会为自己和设计链上的其它部门带来更大的利润。

　　当汽车制造业转向混合燃料创新以及探求燃料代用品时（如氢或碳），电子在其中扮演着更重要的角色。但这些先进系统及其网络功能的应用将使整个汽车电子设计链面对大量的挑战。

　　三层系统

　　今天的汽车制造商（或 OEM）并不设计电子系统。他们依赖于“第一层”供应商，例如 Bosch、Delphi、Visteon、Bose 等 70 多家设计汽车电子子系统的公司。而第一层供应商则要依赖于第二层供应商，他们基本是半导体和印制电路板设计供应商，为每个 ECU 提供以及定制设计部件。

　　汽车厂在每款产品的正式推出前四年就开始了该车的设计，因此，今天的汽车制造商正在设计的是 2009 年的轿车、Van、SUV 和卡车，这些车预计将在 2008 年中期面市。

　　按传统方式，汽车制造商要为一辆汽车设想一个粗略的电子规格，包括一个 ECU 表、它们的性能规范，以及关于 ECU 运行网络的某种数据，包括低速和高速 CAN（控制器局域网络）、LIN（局域互连网络），甚至新兴的 FlexRay。飞利浦半导体(Philips Semiconductors)公司汽车集团的高级总监 Jack Morgan 指出：“有些制造商会详细说明用于汽车的性能，有些甚至详细到振动特性，但很少有制造商会说明实现这些规格的电子部件。他们只是做‘纸面文章’，本质的细节要依赖供应商。”

　　建立了粗略的规格以后，汽车制造商会按规格要求进行选购，并从第一层供应商那里获取投标。有时他们对每个 ECU 会选取三家以上的第一层供应商。汽车制造商一般要求供应商在6个月内为某个 ECU 提供一个原型产品（通常是试验电路板），用以验证其功能。

　　当一个 OEM 通过了原型测试以后，第一层供应商就开始依靠第二层供应商的帮助，设计实际比例的模型 ECU。某个第二层供应商向两家第一层供应商提供 IC，从而为某家汽车制造商制造相同的 ECU，这种情况并不鲜见。

　　供应商将比例模型 ECU 提供给 OEM，后者用基础性的巨型布线软件设计线束，帮助汽车制造商铺设数英里和数百个结点连接各个 ECU 的电线。在此期间，ECU 的规格经常出现变化。而有些汽车制造商还会有多种衍生产品，汽车经销商称之为“选项”，使得工序更加复杂化。这种情况意味着供应商必须为每种 ECU 提供多种变型，不仅要确保自己的正常功能，还要保证不影响其它 ECU 以及多系统配置的性能和可靠性．

　　Friedman 说：“习惯上，汽车公司只在最后的硬件已可用时才开始测试工作，但这种办法现在已经不行了。汽车业有一种先建再测的心态：弯好钢板，锻好钢铁件，看看它能否工作。如果你只有一台引擎和一辆车，可以用先建再测的办法。但对于我们正在做的这些车，它有2000到 3000种电子组合，不可能全部构建一遍。”

　　确实，每个汽车公司都面临着艰巨的任务，即要在漫长的汽车设计周期和消费者对电子部件变化的需求之间作出快速平衡。NEC 的技术营销经理 David Stone 表示：“在信息娱乐领域的压力特别大，消费者希望在车里车外的体验是无缝相接的。汽车业认识到自己所处的窘境，即要将极端可靠性和超长的计划周期与人们每 16 个月甚至每年改变消费产品的概念连结起来。”

　　OEM 商正在试图通过组合标准化接口来满足这些需求，如有线和无线 USB、蓝牙，以及汽车设计中采用的其它接口，并且增加平台设计或可编程逻辑的应用。所有这些技术都使 OEM 商能更方便地按消费者的需求而作出改变，并能够更新一辆已上路 10 多年的汽车电子部件，这个时间段相当于五或六代消费产品。

　　在过去的10 ~ 15年内，大多数汽车上 ECU 的数量从3个上升至15 个，高档汽车达到70个之多，如梅塞德斯 S(Mercedes S-Class) 系列（图1）和宝马7系列(7Series BMW)汽车。尽管我们可以把这种增长的大部分归结于新的娱乐电子设备，但有些曾很简单的功能也变得越来越复杂，如车内照明。

　　Stephan Lehmann 是飞思卡尔(Freescale)全球汽车业务的战略营销经理。他认为，大众(Volkswagen)公司的 Beetle 是汽车中 ECU数量增长的一个最佳实例。Lehmann 指出，老式 Beetle 有一个简单的电子开关，当车门打开时，顶灯就会点亮。而车门关闭时，顶灯就熄灭。

　　这个简单的开关已发展成为一个复杂的 ECU，它通过网络连接到整个车身控制器。顶灯同样会随着车门的打开而点亮，然后随车门的关闭而渐暗，并在驾驶者起动汽车后完全熄灭。它也通过网络连接到气囊控制器，当气囊打开时点亮顶灯，这样车内的人可以在撞车后更好地评估当时的状况。

　　即使是用于将电池能量传送给 ECU 的模拟功率器件也变得更加复杂。今天，功率控制单元已经取代了传统的继电器控制单元。

　　Morgan 说：“今天，车灯和挡风玻璃上的刮水器使用的功率技术实际上相当复杂。它受到微控制器的控制，微控制器告诉它使用多大功率。微控制器不只是控制通电，还会说‘我知道这盏灯的负载是 4A，’如果负载超出此值，则灯会立即熄灭。而传统的继电器控制只会通电，如果出现短路，则只能烧毁。于是，我们就得把所有这些昂贵的部件都买来，而不是只更换灯泡或一根线就能解决。”

　　网络与总线

　　ECU 通过车内网络完成协调与连接。一般来说，每辆汽车至少都采用三个同时运行的网络。一个标准的总线配置会将高速 CAN 用于传动系统和安全控制，低速 CAN 用于车身功能，而像 LIN 这种子网则完成电动车窗的控制。

　　汽车中最常用的网络总线是 CAN。CAN 有很多标准，说明它的应用已有一些年头，批评者称它速度太慢，不能够准确地设置或分析通过网络的信号时序。新的网络速度更快，能力更强，如 FlexRay。但是，它被采纳和获标准支持的速度缓慢。设计者也在考虑汽车信息娱乐部分使用的各种网络，如 MOST（面向媒体的系统传输）以及 IDB（智能传输系统数据总线）。

　　独特的设计挑战

　　汽车电子系统是独特的产品，因为这些设备必须在严格的行驶条件下有 100% 的可靠性，但同时又要有最低的成本。Morgan 说：“汽车娱乐实际上是一种独特的环境。一般的消费产品无法用于汽车中，这是一件司空见惯的事。因此，我们所有的半导体产品都必须在范围很宽的温度中工作，典型范围是从 -40℃ ~ +125℃，而且通常这些器件要具备低功耗以及满足严格的 ESD/EMI 要求。如果它们在汽车中出现故障，差

不多就会造成一场灾难。汽车中的一切都要正常工作。这对电子系统增加了很多限制。而且还不是松散的限制，因为当你把所有电子部件连接到一起时，许多公差就叠加到了一起，这就不允许有极松散的限制。”

　　半导体和第一层供应商必须遵守OEM PPAT（产品部件认证过程）要求以及各类标准，大多数是 AECQ100认证，ISO9001以及ISO/TS 6949（2002）是第二层供应商的质量指导方针。

　　很多提供模拟功率器件的供应商［如飞思卡尔(Freescale)，飞利浦(Philips)，英飞凌(Infineon)、International Rectifier 和NEC］都必须非常小心地建立和测试它们的公差，因为模拟器件更容易失效。例如，英飞凌在封装和裸芯片可靠性方面下了一番功夫。

　　英飞凌科技公司北美汽车功率应用经理 Ray Notarantonio 这样表示：“我们确实像对待系统那样对裸芯片和封装作了努力。我们限定我们的器件要达到 175℃，这可不是个平凡的工作。封装也要规定达到这种水平才行。”

　　尽管争抢市场意味着 IC 供应商必须作广泛的测试，但他们表示这些都是值得的。因为，虽然电子业各个领域都不处于景气增长阶段，汽车市场与产量也并不很佳，但汽车半导体还是提供了一个相当高而稳定的收益来源（表 1）。事实上，几乎每家 IC 制造商都在或多或少地为汽车行业提供产品。

　　最近的趋势是让 OEM 和第一层供应商使用更多的标准产品和 ASSP（专用标准产品），而少用 ASIC。通用公司工程集团经理 Fred Huntzicker 认为：“过去我们的供应商习惯使用定制的 ASIC，以及某种程度的定制处理器。这种情况正在改变。我们趋向于更商品化的解决方案，并且正在涌现能够满足我们很多需求的标准解决方案。”

　　根据Strategic Analytics的报告，汽车领域ASIC的增长仍达到 6.2%，而Gartner的数据是 9.2%（图2）。然而，由于可靠性、成本约束和批量原因，第一层供应商通常用较旧和成熟工艺几何尺寸开发IC。
OEM希望看到第一层供应商提供的电子产品使用更前沿的硅工艺，但相应的EDA软件和方法并不可靠和具备良好性价比，因此多数IC供应商不会选择这条道路。今天，工程师们为2008/2009 汽车设计的大多数数字IC仍使用0.18mm CMOS。飞思卡尔 PowerPC 和瑞萨(Renesas) SH 系列微处理器使用了 0.13mm和0.12mm硅工艺，用于传动系统 ECU。工程师们在今天汽车中使用的最先进数字芯片采用的是 0.25mm CMOS工艺。

　　面对增长缓慢甚至呆滞的 EDA 业，有些供应商坚信汽车电子产品的增长会带动对 EDA 工具的更大需求。但汽车厂商和供应商表示这种观点并不完全正确，因为并不存在对更多标准 IC 设计工具的大量需求。大多数芯片公司和第一层供应商已经拥有了设计印制电路板和 0.13mm IC 的工具，业界需要的是能解决汽车设计问题的工具。

　　SoC意味着“汽车上的系统”

　　汽车业尤其需要实现三个设计层次以及针对实际系统级（汽车上的系统）设计和验证的流畅沟通。OEM 对芯片至 ECU 和网络层的建模有一个要求，即能够用基于模型的设计和软件，前瞻性地设计出网络和所需 ECU，并能达到设计链后期的系统级规格。

　　迄今为止，传统的 EDA 公司已经涉足了汽车设计工具领域，如 Mentor Graphics 和 Synopsys。Mentor 多年来就提供 VeSys走线工具，用于汽车、飞机和家电设备机箱内的走线，而 Synopsys 多年来用 Saber 作为自己的机械、电气和热仿真工具。2005年，Mentor 在自己的产品组合中增加了一个多科目仿真工具，使用户可以用标准 VHDL-AMS 描述信号，而不必像 Saber 那样使用专用语言。

　　Mentor 似乎要走得更远，它在 2005 年 5 月并购了 Volcano 通信技术公司，从而跃入网络设计领域。Mentor 并不是因为这次收购而进入新的领域，Volcano 也不是这一领域的唯一厂商。像 Vector-CanTech 公司也专注于汽车网络设计与仿真。而像The  Mathworks 和 Vast Systems Technology 等公司也提供先进的 ECU 模型，并迈入提供 OEM 工具领域，实现整个电子系统的建模，以及快速地创建更精密的约束和衍生产品。

　　Volcano 和 Vector 的工具则从相反角度打入汽车网络设计领域。简单说，Volcano 要求用户了解它们 ECU 的所有约束条件，然后才能使网络适合 ECU。同时，Ve

ctor-CanTech 则提供总线网络设计和仿真，用户将其插入自己的 ECU 中。两家公司均支持多个总线标准，包括 CAN、LIN 和新兴的高速总线协议 FlexRay。

　　Vast 把主要精力集中在提供 ECU 硬件建模上，而The Mathworks可实现 ECU 硬件和软件建模。ETAS 集团和 Enea 等公司则专注于软件嵌入式建模与设计。

　　ETAS 战略营销与通信总监 Jeff Kessen 称，在汽车业中，重要的是实时设计与测试。他指出：“一个高转速下的八缸引擎每秒要计算 500 次燃油供应，而 ABS 每秒要调整 10 次刹车力度。”

　　但是，并不只是硬件配合软件工作时需要仿真，ECU 要工作在极热的条件下，并长期在汽车中运行。Kessen 说：“有些 OEM 商在液压控制阀中整合了变速ECU，而这个 ECU 就浸泡在变速箱油内。热天剧烈的驾驶中，变速箱油可以达到 150℃(300°F)的高温。PC主板不可能忍受在这种条件下工作。”这种情形意味着要求 EDA 供应商进行扩展或与其它供应商合作，包括热、机械甚至液动工具供应商。

　　用于汽车的电子工具很少见，原因之一是很多汽车供应商都不愿公开自己的电子系统设计流程，不希望参与到联合标准开发中。一个最有前途的标准化工作是 AutoSAR（汽车开放系统架构），它能有助于定义所有汽车共同的 ECU 和软、硬件子功能。该集团得到了数家欧洲汽车制造商和供应商的支持，期望实现通用功能软、硬件的标准化。该集团希望用这种方式提高设计层面之间的沟通，加快汽车电子的设计周期。Mentor 通过对 Volcano的收购而成为 AutoSAR 的主导角色，因而使该公司对标准的走向有了更强大的影响力。

　　Mentor 与 Synopsys 并不是发现汽车业潜在机会的唯一 EDA 巨头。Cadence 设计系统公司在 2005 年中称它正在致力于一个面向汽车设计的设计工具包。现在还不知道该工具包中是否含有专用工具，或者只是简单地捆绑了现有的IC、印制电路板和封装工具，而以富有吸引力的价格提供给第二层、第一层和汽车公司。

　　对Cadence 这家全球最大的EDA 供应商来说，对真正汽车级系统工具的需求并不是新的概念。该公司曾经提供一种名为VCC（虚拟部件协同设计）的工具，在那个时代居于领先地位，当然也领先于汽车业对系统级建模的需求。

参考文献：
1． www.reed-electronics.com/moversandshakers/article/CA6277508.

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来源:EDN电子设计技术 作者:Michael Santarini ，EDN高级编辑 时间:2006/4/3 0:00:00