什么是基于模型的设计？

例如，研究对象可能包括电阻器、晶体管、机电执行器和电动机、热液压泵和阀门、电热磁铁、光纤、涉及化学物质流动的内燃机，甚至包括神经元突触和人类心脏等生物系统。为了使系统能够可靠运行或按设计要求工作，通常会采用反馈控制（模拟、数字或两者兼有），以监测输出与输入指令及系统运行要求的对应关系。

基于模型设计的仿真研究必须有明确的目的，或者有一系列具体的目标或待解答的问题。例如，仿真可用于在系统构建之前验证其设计并优化硬件和软件的实现，从而避免可能耗资巨大的物理原型迭代。 其他用途可能包括行为敏感性分析、应力水平分析、功能安全分析（故障 ，故障 ），或是组件公差的统计变异性分析，以及针对可靠性方面预期性能的验证，以便进行良率分析并降低保修成本，同时还要权衡部件尺寸缩减和装配成本。

要实现基于模型的设计目标，需要具备以下三个关键要素：

1. 能够进行专用器件特性分析或创建自定义模型的建模工具开发 ，以及硬件描述语言（HDL），可帮助工程师跨越“模型缺口”这一障碍。在系统实现中整合仿真模型，可生成被称为“可执行规范”（虚拟样机 ）的可执行规范。
2. 设计知识以及对仿真目标的透彻理解。无论是基于应用理论的知识，还是来自实际操作的体验 ，对系统行为的预期都能在很大程度上消除实施过程中的低效现象。通过仿真提出的问题必须与所用模型的保真度相匹配，否则不必要的复杂性可能会阻碍项目进展。
3. 一款鲁棒且可靠的仿真器。在此，鲁棒意味着该仿真器通常能够提供用于设计故障排查的结果；而可靠则意味着所提供的结果始终能够被采信，且确信这些结果真实反映了系统的状态。 

基于模型的设计支持由V型图所描述的设计流程。 在该过程的每个阶段，都会使用适合该阶段抽象程度的模型来表示系统组件并模拟设计。这些模型最初可以是高抽象度的，用于建模宏观行为，以探索总体概念和概念架构。但在需要探讨更具体问题的设计阶段，随着所研究的设计逐渐定型，模型也会变得更加详细，直至整个系统被以适当精度的模型呈现出来，从而验证该设计是否适合投入生产。

将基于模型的设计流程中的“实现与项目测试”部分单独列出，并阐明构建可靠模型的迭代过程，可能会有所帮助。在评估观测行为与模拟行为之间符合性 的质量之前，必须进行模型验证。模型验证是指确认虚拟样机 在规定的精度范围内准确反映了系统模型。在此基础上，观测行为与模拟行为之间的一致程度正是模型验证 步骤的本质所在。 构建一个可接受且有效的模型是一个迭代过程。

一般而言，系统中的所有模型在引入更复杂的系统设计之前，确实都应分别进行特性分析、验证和确认。

随着设计工程师面临着越来越大的压力，需要实现更高质量的设计，以便更快地将产品推向市场，同时制造成本却要越来越低，因此确认设计稳定性 的需求现已超越了对系统标称性能的验证，延伸至元件公差、良率以及制造方案的影响等领域。 这一标准同样适用于现有设计平台——这些平台通常会通过更新功能、添加新功能或提升性能来实现重复利用。为此，必须利用基于模型的设计和仿真技术，以促进开发出稳健且不受公差影响的系统。通过这种方式，在进行物理原型制作之前，即可确定产率、开展敏感度分析和应力分析，并识别关键部件。以下是基于模型的设计的一些主要优势：

• 减少了昂贵的硬件迭代。设计人员可以在系统构建之前验证其设计并优化硬件和软件实现，或者对现有设计进行验证和优化，从而避免可能耗资巨大的物理原型迭代。
• 增强功能安全。通过物理系统的虚拟样机 生成的虚拟烟雾，意味着可以高效且安全地进行激进且全面的测试。这包括在传感器信号错误、电压骤降或其他故障 等情况下检测潜在的嵌入式软件故障，从而对间歇性转向稳定性场景进行合理性检查。
• 上市时间 可缩短新产品开发 的开发周期。基于模型的设计方法非常高效，能显著减少新设计中的上市时间 ，从而提供额外的关键灵活性，以满足客户的性能要求。
• 降低保修间接成本。对名义特性化系统的仿真固然非常有用，但针对组件具有指定公差的系统进行仿真，则能进行极具价值的统计分析和最坏情况分析（WCA）性能评估。设计人员由此可以预测制造良率、预计有多少台设备能通过最终的质量保证 检验并出货，以及有多少台设备可能在现场出现故障。 WCA 仿真信息有助于规避财务障碍，并促使设计方尽早做出设计变更决策，从而避免代价高昂的保修召回。 

基于模型的设计首先需要“模型”。 新思科技 SaberRD 而SaberEXP仿真产品提供的ASML库，使设计工程师能够逐步实现其仿真目标。这些库涵盖了多种混合技术，支持物理设备、待控系统以及反馈元件的组装。能够进行专用器件特性分析或创建自定义模型的建模工具开发 ，以及HDL，可帮助工程师跨越模型缺口。这有助于用户解决建模难题，从而提高 新思科技 开发 工具使用效率，因为它使以下操作变得更加容易：

• 对元器件模型（双极型晶体管、MOSFET、IGBT、二极管、电池等）进行表征
• 验证/确认现有模型
• 创建新模型
• 研究限制条件、边界条件
• 缩小自上而下与自下而上设计方法之间的差距
• 在虚拟硬件上运行从高级到详细的嵌入式代码

SaberRD 和SaberEXP提供了一套广泛且自动化的分析功能，以确保设计符合稳定性 标准，帮助设计师充分利用早期良率、应力及故障 分析所能带来的显著优势。这些工具能够识别系统中的关键部件，包括过载的组件或那些最可能对性能产生负面影响的组件。

基于模型的设计中的“虚拟制造”技术，不仅在揭示由公差问题导致的良率潜在问题方面极为有效，还能通过识别那些无需严格公差规格的部件，从而实现显著的成本节约——这样一来，昂贵且公差范围更窄的部件仅会在其使用至关重要的情况下才被设计采用。期刊

诸如 新思科技 Silver 和Virtualizer™等ECU仿真器，能够进行真正的软件测试，从而在设计周期的早期阶段——即在硬件尚未存在或尚未定型之前，或者作为在可复用设计平台上进行软件更新和验证的一部分——及早发现并解决软件缺陷。