让汽车更智能

自1983年福特汽车(Ford Motor Co.)首次在其四缸Escort发动机中采用基于英特尔(Intel)微控制器的16位燃油喷射系统以来，燃油喷射控制单元已经取得了长足的进步。今天，一些高端车辆包含超过100个微处理器，与仅包含一个微处理器的Escort型相比，这是令人难以置信的。

诚然，汽车行业是一种独特的动物。与以消费者为导向的市场相比，汽车行业有一些非常具体的要求，很难做到。该汽车必须在任何情况下工作，天气条件，温度，雨，雪，只要你能想到的，这使得要求清单有点长，罗伯特·施威格说，EMEA现场营销和汽车销售总监节奏．

“汽车行业有很多安全要求，但除此之外，还有很多政府法规，甚至波及到Cadence这样的公司及其IP。他们热衷于减少排放，这实际上是从电力消耗开始的，所以还有一个低功率的问题——不仅是电动汽车，还有汽油动力汽车，因为如果发动机需要在汽车中产生电力，你需要有合适的电源电缆直径，所有这些加起来都是汽车的整体重量。在先进的驾驶辅助系统方面，还有其他安全规定。”

汽车市场与其他市场不同的另一个原因是附加条件验证Cadence公司系统验证组(SVG)汽车安全产品管理组总监Adam Sherer指出，这一任务在医疗和军事/航空等其他关键业务中也很常见。当然，也有不同程度和不同水平的发展，这一切都使我们从根本上认识到，在传统的功能验证已经完成的同时，在安全性验证方面又有了新的任务。汽车行业现在正试图确切地了解需要做些什么来提供越来越多的数据来支持已经完成的验证。具体来说，这意味着从OEM到Tier 1到半导体到IP的需求追溯。“我们将有更大的举证责任，不仅要遵循ISO 9000的精神，可重复、可追溯的过程，而且还要有特定的要求来识别质量，这是汽车安全完整性级别(ASIL)的编码。”

好消息是，在过去的一个世纪里，安全性和可靠性的提高一直是汽车行业的主要趋势，福特汽车应用工程总监Arvind Shanmugavel说Ansys-Apache．“随着安全和可靠性领域的进步，汽车已经发展得更安全、更可靠，拥有和操作起来也更可靠。在过去的十年里，汽车行业经历了一次转型，带来了另外两个大趋势——效率(燃料和排放)和连接性(信息娱乐)，以改善驾驶体验。”

此外，电子元件设计的进步、集成电路性能和集成度的提高，也有助于提高汽车的整体安全性、可靠性、效率和连通性。“大多数现代汽车将包含四个主要的电子子系统，负责其运行:1)发动机和动力系统控制单元;2)安全控制子系统;3)高级驾驶辅助子系统;4)信息娱乐子系统。这四个电子子系统要么控制汽车的关键操作和安全，要么影响司机/用户的体验。”

Shanmugavel还表示，汽车中的电子设备本来就需要在“嘈杂”的环境中工作，这意味着支持发动机控制单元或安全系统等关键功能的电子系统应该有一个系统的设计理念，考虑到抗干扰性和可靠性。“汽车环境的温度变化范围从-50摄氏度到200摄氏度。半导体和电子产品需要能够在这些高温环境中工作。汽车电子元件的热稳定性、电迁移和热感知疲劳应进行适当的模拟。半导体集成电路特别应该在这些温度下进行模拟，以获得可靠性和寿命影响。集成电路还应该能够拒绝通过不同形式耦合的噪声。应适当拒绝感应放电点火系统等高能噪声源和电力线对车辆天线辐射等低能噪声源的排放。另外，集成电路本身的设计应尽量减少其自身运行所发出的噪声。ISO1152和ISO7673等电磁抗扰标准对所有维持关键功能的汽车部件进行了严格测试。”

当涉及到电子控制单元(ecu)的设计时，它为车辆的各个系统提供控制，这将随着时间的推移而不断发展。

福特电子系统、研究与创新全球总监吉姆•布茨科夫斯基表示:“想想汽车的基本系统——制动、转向、发动机、照明、门锁、窗户等等——这些都有很长的历史，而且这些系统已经实现了电气化。”“曲柄窗、电动窗、智能窗都可以弹回来防止陷阱或一触即碰的窗户。对于很多人来说，这是一个非常微不足道的系统，但却非常重要。在你开始添加一些花哨的东西之前，比如自动泊车辅助、向前碰撞警告等等，这些系统早期采用的电子设备真的是孤立的。你会有用于照明和锁控的车身控制，还有一个单独的动力系统控制器，一个单独的传动控制器，一个单独的防锁刹车控制器。现在你开始看到更多这样的系统结合在一起。”

这种演变的第一阶段涉及信息共享。布兹科夫斯基说:“当你达到一定速度时，自动门就会自动锁上。”“这需要车辆速度信息。动力系统控制系统也需要这一点，以了解变速器的换挡情况。现在，这些共享的信号必须在这些不同的系统之间进行通信，这就是这些电子控制模块之间的网络出现的原因。我们可能已经在不同的汽车网络上研究了20年。我们已经利用了CAN网络，现在我们开始看到它演变成利用IT和计算机行业技术的更快的网络。以太网就是一个例子。我们正在考虑未来的项目，我们使用以太网作为CAN之外的额外通信网络，用于我们需要输送大量信息的某些类型的信号。”

所有这些都是个体控制系统的进化。该系统获得了共享信号的能力，半导体和电子产品将更多的特性和功能整合到一个控制单元中。

“你开始看到更多的功能集成到一个盒子里，”他说。“微控制器更加强大，能够同时做更多的事情，这有助于我们降低成本，提高性能。你会继续看到这种趋势。我们会增加新功能，比如备用摄像头，这些东西一开始可能是独立的，但最终会集成到一个单元中，可以控制多种功能。整个汽车不一定只有一个单元，但我们现在可能有60、70、80个不同的ecu，当我们使用更强大的处理器将它们集成在一起时，将会有一些显著的减少。同样，半导体行业的成本帮助我们降低了成本，集成在电源和其他辅助类型的东西方面节省了成本。”

Cadence的Schweiger指出，传统的ecu主要基于mcu。相比之下，像高级驾驶辅助这样的新系统将需要一些不同的东西，因为这些类型的系统需要与以前基于mcu的单元完全不同的性能水平。“因为它们在ecu中拥有更强大的核心，这些ecu不再基于mcu，因为它们已经失去了动力，尤其是基于摄像头的系统。半导体公司正在为这种类型的ecu进行SoC设计，因为他们正在进行SoC设计，所以他们的SoC中有很多IP。他们只能通过使用28nm CMOS等先进工艺技术来实现这些soc。”

但这也改变了整个设计过程。“基于soc的ECU的设计与基于mcu的ECU有很大的不同，因为mcu是现成的标准设备，所以有各种各样的工具可用。例如，如果你想对这样的ECU进行硬件在环仿真，你会发现一些工具已经在它们的库中有XYZ公司的MCU来模拟该MCU。但如果你想做一个SoC，它不是一个标准的设备，因此工具是非常不同的，因为你不需要从选择任何MCU开始。首先，您必须选择正确的IP来构建SoC。对于OEM来说，他们的工具环境并不是那么详尽。”

致Chris Turner, CPU集团的产品营销总监手臂在美国，ECU就像一个“银盒子”，隐藏在汽车周围、发动机舱、仪表板后面、座位下面、后备箱里。通常每辆车有50个或更多，每辆车都可以有多个pcb内部和多个半设备- MCU，电源，模拟。

根据品牌和型号的不同，数量差异很大。查理·贾纳克，董事长兼首席执行官Arteris他认为ecu的数量高达145个，其中大多数是mcu。“每个主要子系统都有一个SoC，许多功能由mcu完成。正在发生变化的是，汽车正在由更大的子系统组装而成，这些子系统是为某类汽车定制设计的，而保持这些子系统最新状态的最佳方法就是使用soc。特斯拉并没有强迫所有人都使用电动汽车，但他们正在迫使人们重新思考汽车的组装策略。汽车的电子结构必须重新设计，这样才能进行更新。到处都需要安全芯片，软件也必须重新思考。”

电控单元的设计挑战
考虑到操作模式、政府法规等限制因素，Turner强调，目前设计ecu的挑战之一是在可接受的成本和功耗/热限制下，在高性能处理器上实现功能安全目标。其次是管理软件的复杂性，因为现代汽车由多家公司和团队编写的源代码多达1亿行，这些公司和团队对高可用性和安全关键系统有要求。

尽管如此，汽车行业仍然是一个非常独特的行业，因为汽车制造商主导着这个行业的大部分业务，一级和二级供应商按照他们的要求行事。有趣的是，安德鲁帕特森，汽车业务发展总监导师图形他指出，根据你是OEM还是Tier 1供应商，甚至有不同的工具，而且用例的思考方式完全不同。“在OEM层面，如果你要制造一辆完整的汽车，那么ECU设计需要哪些工具?当涉及到架构层面时，实际上在一辆汽车中有许多不同类型的网络。几乎每辆车都有一个CAN(控制器区域网络)，自20世纪80年代以来，它已经被证明是非常安全的。它最近被扩展到CAN FD(灵活数据速率)，以允许发送更大的数据消息。随着ecu变得越来越复杂，人们需要发送更复杂、更详细的消息，而旧的CAN数据大小是不够的。”

当然，车载以太网是一个大趋势，由于速度更快，可以携带更多的数据。如今，100Mbps的以太网已被用于汽车，以增加发送内容的带宽。

帕特森说，汽车制造商首先需要考虑网络类型，然后制定消息传递方案:从ECU1到ECU2需要传递哪些数据。考虑到汽车中ecu的数量，这变得非常复杂。

因此，在架构级别上建模是非常重要的第一步，Patterson解释道。“在早期阶段，人们甚至不使用物理连接。他们使用一种叫做虚拟功能总线的东西，它只是将消息从一个传递到另一个，建模车辆的逻辑状态。例如，如果你不在停车位置，你就不能把钥匙从点火装置上拿出来。所有发生在你车上的小事情都是在ecu之间的这种互连逻辑中定义的。因此，当你想到你的汽车和所有发生的事情时，也许当你开着灯，当你关门并关闭引擎时，你会收到一个小警告呼机——这些都是定义逻辑状态的相互作用的ecu。”

他说，汽车制造商想要在这个层面上担心所有事物是如何相互作用的，以及建模所有向后和向前传递的信息。在连接到实际硬件之前，建模也在PC上的虚拟平台上完成。

Patterson指出，在过去几年里，ECU设计的一个重大变化是AUTOSAR，它为汽车制造商定义了一种标准方法，以便他们可以从软件的角度定义如何创建ECU，如何相互通信，以及使用的数据类型/数据消息。AUTOSAR还允许汽车制造商与其供应商之间进行更多的交换，通过提供一种方法来获取单个ECU并提取其模板(连接点、需要处理的数据和消息)，并将其作为数字规范以电子方式发送给一级供应商。

但汽车行业正在发生更重大的变化，特别是与ecu相关的变化。他说，现在需要在车辆的生命周期内更新ecu。“在过去，它们会被终生密封。随着汽车制造商创新的需求，也许是消费电子产品的步伐，当然是比现在更快的步伐，他们已经意识到可以通过更新ecu上的软件来改变或改善其功能，这是我们看到的未来最大的变化之一。对于信息娱乐系统或仪表盘显示，如果能够在汽车的生命周期内进行更新，可能会随着新标准的到来或新应用的加入而进行更新，那就太好了。地图更新就是一个很好的例子。汽车制造商不得不留出一种方式，将数据重新闪现或重新加载到ecu上，这可以手动完成，也可以通过空中完成。”