今天的汽車包含許多復雜的電子系統，每個電子系統都可以包含執行單一功能的大量電子控制單元（ECU），通過網絡層進行通信。即使復雜性增加，設計周期也面臨著縮短的壓力，因此制造商可以在競爭激烈的行業中為消費者提供最新的安全性，燃油效率和便利性。與此同時，質量和可靠性仍然是最重要的問題。管理這些因素的挑戰 - 復雜的技術，上市時間和質量 - 正在決定汽車電子的新方法，但這個方法與汽車行業本身一樣悠久。

自成立以來，汽車工業已經將模型用于車輛設計和開發的物理和機械方面。工程師建立汽車的比例模型，以預測真實車輛在生產開始之前的外觀，感覺和行為。這種經過驗證的方法同樣適用于汽車電子的設計和開發。對汽車中ECU的硅系統，ECU和整個網絡進行建模，使工程師能夠在電子元件制造之前很久就評估設計備選方案，權衡權衡并預測結果。建模還簡化了故障排除，可以盡早揭示系統之間的危險交互，以防止可能導致產品召回的潛在災難性后果。

本文討論了汽車電子產品的變化，這些變化決定了基于模型的設計和虛擬原型。虛擬原型設計與臺架測試形成對比，以說明具體的差異。描述了其他基于軟件的建模技術以闡明有效模型的要求。最后，深入探討了虛擬原型設計，并提供了使用基于模型的流程設計的汽車安全系統示例。

嵌入式系統的挑戰

汽車行業電子產品的爆炸性增長，特別是嵌入式系統軟件的發展，改變了汽車設計的動態，并帶來了重大挑戰。現在車輛中有多達70個ECU，最多連接5個總線 - 項目經理和工程師面臨著這些ECU如何在內部表現以及它們如何相互作用所產生的新問題。保修和質量問題取決于能夠診斷ECU內部和之間的困難硬件/軟件問題。 ECU之間的總線通信非常復雜且至關重要。

當這些新挑戰與競爭激烈的行業需求相結合時，這些挑戰也在不斷升級。能夠在安全性，燃油效率和便利性方面將新功能推向市場的汽車原始設備制造商和一級供應商將獲得市場份額的好處。但這種新功能必須以具有競爭力的成本滿足嚴格的質量標準。考慮到ECU的復雜性增加，它們之間的相互作用以及它們內部的軟件擴散，成本/質量動態非常困難。一位寶馬高管在加利福尼亞州圣地亞哥舉行的2004年1月汽車電子會議上報告稱，ECU的50-70％的開發成本與軟件有關，而且已經有40％的車輛成本由電子和軟件決定。

這些因素的融合正在推動汽車電子設計方法的變革，使用虛擬原型進行基于模型的設計。傳統的基于硬件的工作臺開發方法已經不夠用了。汽車制造商意識到改變嵌入式系統方法的難度，并且正在向其他市場的嵌入式軟件開發成功展示新的關注度。例如，據報道，通用汽車公司有兩個主要的高級戰略計劃：燃料電池和嵌入式軟件。

ECU和網絡的增長以前，ECU是相對簡單的，面向硬件的系統。如今，它們是多用途的多芯片計算機系統，其中通常在軟件中提供比硬件更多的功能。最復雜的ECU操作動力傳動系。更簡單的操作可以調節座椅和鏡子等功能，但即使是這些ECU也需要聯網，以便可以根據不同的駕駛員調整座椅和后視鏡。龐大的網絡需要一個重量超過50公斤的線束;它的許多連接器對汽車可靠性產生負面影響，從而增加了保修成本。

汽車電子內容增加的趨勢是許多新功能的直接結果，這些功能將大大提高安全性和舒適性，但這需要更多具有大型嵌入式軟件組件的復雜ECU。 安全功能包括線控轉向，線控制動和線控驅動（統稱為“X-by-wire”），自動車道跟蹤，昏昏欲睡的駕駛員檢測，智能巡航控制和安全氣囊系統，可根據乘客重量和事故的特定性質調整部署。提高燃油效率是一個重要目標：混合動力（內燃和電池）和燃料電池電動驅動對軟件提出了很高的要求。遠程信息處理和車載娛樂將進一步增加汽車的電子內容，需要結合無線連接，全球定位，數字廣播和互聯網接入等技術，盡可能使用免提語音激活。

各種因素相互作用以產生復雜的優化問題。為減少接線重量，ECU應靠近其控制的位置：例如，發動機控制ECU應安裝在發動機艙內，制動控制裝置應靠近車輪。這會激勵ECU，每個ECU都執行一些特定的功能。另一方面，為減少連接器數量，ECU的數量應盡可能低。但為了保持可靠性，必須將ECU間的布線保持在最低限度，并且必須在系統中內置最關鍵功能的冗余。連接ECU的網絡需要保證為X-by-wire等功能提供服務。

解決這一系列矛盾的要求需要采用更系統的方法來實現電子系統的架構。在定義整個硬件/軟件系統并開始詳細開發之前，必須評估許多潛在的權衡。反過來，評估需要能夠對ECU的網絡和ECU本身的內部結構進行定量分析。