前言

下一代汽車控制匯流排正在改變全球汽車製造商和半導體供應商之間合作模式，2007年是全球主要的汽車製造商加速在高階車款上架構FlexRay產品步伐的一年。當2006年BMW率先在其全新的X5系列豪華SUV車款上整合FlexRay之後，隨及引起業界的廣泛討論。FlexRay主要應用於控制X5系列的適應駕駛系統，可根據路況變化迅速反應並進行車控調整。

或許在X5系列的底盤和懸架控制系統中使用FlexRay並不算是大手筆的投資，但新一代車用控制匯流排已經以嶄新之姿呈現在世人面前。汽車技術的每項進步都是不斷演進的結果，這項革新演進方案能夠降低製造成本、大幅提升汽車可靠性，也將有助於汽車設計人員進一步收集系統在實際運作時的相關數據資料。

FlexRay將取而代之

由於汽車變得更加複雜，內部增加的系統也越來越多，不可避免地汽車需要比CAN和LIN更加精密的控制手法，再加上其他發展趨勢也在持續推廣FlexRay的普及化，包括製造效率、安全規範和便捷功能的增加趨勢，業界預估在2010年之前，其他汽車製造商也將加快架構FlexRay於新用車款中，匯流排的角色會越來越重要。

就像X5系列的適應駕駛系統，汽車製造商部署FlexRay，將先從各獨立系統的控制來著手。未來CAN將無法支持其他的FlexRay應用，很快地採用FlexRay將成為確保汽車安全和性能必不可少的一環，FlexRay終將進而取代控制區域網路匯流排（CAN bus）、成為所有安全及駕駛功能的首選通訊管道。

不過在這段過渡期間，FlexRay將與CAN並存，而CAN目前仍會是佔主導地位的車用匯流排；至於也是屬於區域網路匯流排性質、適用於車窗控制和其他簡單功能的LIN，在短期內也將持續被車廠設計人員應用。

FlexRay的技術優勢

從傳輸需求的角度來看，CAN僅為1Mbps，而Flexray可以達到10Mbps，未來的汽車需要實現更高的頻寬。並且，汽車還需要確保能夠對關鍵性任務，作出極快回應的確定性協議內容。此外，可實現線控轉向和煞車（X-by-wire）的技術也是必備條件，從這幾點來看，FlexRay均可擔負未來車用匯流排功能的角色。

FlexRay的10Mbps頻寬、內建容錯功能和確定性協議，正是針對上述要求而設計的。FlexRay適合多種網路拓撲架構︰線性節點、被動星型、主動星型、或者是組合上述的混合網路拓墣架構。FlexRay技術能夠延伸到其他領域，因此未來幾十年都可迎接各種車用技術的挑戰。

演進而非變革的發展趨勢

汽車電子技術對駕駛體驗的意義越來越重大。之前，每個電子控制單元（ECU）都是獨立的功能單元，隨著電子控制技術能力的提升，ECU的數量也在增加，網路化ECU的趨勢便開始轉向分散式系統（Distributed Control System），把功能散佈於多個ECU中。

由於系統日趨複雜，人們認識到車內網路不僅要提供更快的數據傳輸，還要提供具有確定性、容錯特性的通訊連接規格，這是未來分散式控制系統的唯一出路。因此從以往引擎管理需求開始，經過汽車音響的革新浪潮，到如今汽車內部所有的主要系統，包括傳動系統、車身、底盤、駕駛輔助系統和主被動安全系統，都逐漸演進為電子控制裝置。

FlexRay晶片設計大要

提高FlexRay晶片整合度

從車用半導體廠商的角度來看，汽車若採用FlexRay 2.1協議標準的晶片系統，處理能力要達到相當於32位元微控制器在80 MHz運作時的水準。這也就表示，FlexRay晶片必須擁有早期英特爾Pentium微處理器的處理能力。再者，FlexRay晶片還需要早期Pentium處理器所沒有的多層匯流排。

並且，FlexRay在未來一段時間內仍將與其他控制匯流排並存，因此在通訊閘應用中使用FlexRay晶片時，必須整合三種通訊控制單元︰FlexRay 2.1通訊控制單元、至少5至6個CAN 2控制單元、以及多個LIN 2主控制單元。

開放FlexRay架構設計

FlexRay並不是一項簡單的協議，半導體廠商若要在晶片上成功落實FlexRay協議，就必須對控制系統及其應用環境多所了解，以符合FlexRay晶片設計複雜且精密的需求。

設計FlexRay控制單元可採用不止一種架構，還有其他更多選擇實現各種功能。FlexRay架構和設計的排列組合數量相當龐大，不過只有一種能夠以最低成本獲得最佳性能。

《圖一　兩種完整的FlexRay 2.1控制IC架構出發點示意圖》

兩種設計模式

FlexRay晶片有兩種設計模式，(圖一)為架構最高層的兩種選擇，其一是以通訊控制單元為中心的晶片；其二則是以微處理器為中心的晶片。

如果以控制單元為中心，半導體廠商應把主要考慮放在如何在MCU裸片上嵌入控制單元，亦即直接整合為IP。以MCU為中心的方法需要更長的時間、更多的精力和更豐富的創造力，廠商需煞費苦心地將控制單元功能，以高精度的模式整合到MCU中，使其與MCU緊緊連在一起。以微處理器為中心的晶片更加困難，並且需要更多應用知識，但效果也會更好。

影響晶片性能的關鍵，在於控制單元與主機的界面。高度精細的整合模式，能讓晶片設計師從頭開始設計，而不是使用FlexRay控制單元獨立晶片所提供的界面。至於利用MCU固有的功能、採取類似ARM 9的多層系統匯流排設計自定義界面，則可以提升總體的性能和系統的靈活性，此架構還可確保高效能的可擴展性。(圖二)是對以MCU為中心的晶片設計簡述示意圖。

《圖二　控制單元與主機的界面採用FlexRay性能的關鍵預測器》

在早期FlexRay的控制單元中，大多數便以ARM7和ARM9為核心，採用MCU為中心的架構，NXP的方案還可提供循環多路複用技術（Cycle multiplexing）。循環多路複用有許多好處，其中之一便是讓設計工程師能更加有效地使用頻寬，因為循環中的時段可由多個數據流複用，不因較少使用的單個時段而保留。這項技術能進一步提升系統效率，尤其是在更新數據間的時間槽（Time slot）超過循環時間時，更為顯著。

協議引擎要彈性靈活

協議引擎也是影響FlexRay通訊功能的另一項關鍵要素。FlexRay會順應環境要求不時發生變化，因此協議引擎必須具備高效能、靈活彈性並符合標準要求，要開發能使整體系統運作正常的FlexRay元件，也只有熟知協議及其對各種實際應用狀況瞭解的半導體廠商，才能實現這些特性。

為保證晶片產品能完全符合FlexRay標準，廠商最好將協議引擎與FlexRay標準建立在相同的「參考模型」上，並相互合作，例如Freescale和NXP便共享各自的專業技術，共同創建一個協議引擎，採用控制單元整合主機界面的概念，便是一個很明顯的例子。

FlexRay收發器設計方向

如圖二所示，收發器晶片同樣是應用FlexRay的關鍵元件。收發器在物理層運作，負責發送和接收藉由FlexRay匯流排在晶片間傳送的電子訊號。

以往的CAN汽車網路，收發器設計相對簡單。FlexRay則大大不同，對匯流排上傳輸波形的定時和形狀，亦即容錯（Tolerance）的要求很高。

此外，FlexRay標準定義了線性節點、被動星型、主動星型這三種網路拓撲架構，每一種拓撲架構對收發器的性能要求均不相同，因此收發器必須都能滿足所有主動和被動網路拓墣架構的需求。

這點非常重要，因為汽車設計團隊在設計初期很有可能使用被動架構，爾後隨著系統要求的提升，便會轉而使用主動拓撲架構。收發器若能支援兩種拓撲架構，意味著往後要是拓撲架構變得更加複雜，也就無需使用新元件。這將有助於簡化汽車設計團隊的作業流程。例如BMW X5系所採用的FlexRay收發器，便是NXP可支援線性節點與星狀網路拓墣的FlexRay收發器，並具備TESD保護和管理功耗性能。

FlexRay前景看好

全球汽車製造商和半導體供應商之間的合作模式，正因為FlexRay而開始改變。隨著汽車電子技術成為提升功能和性能的重要驅動力量，汽車製造商也逐漸朝向合作模式發展。在此模式中，汽車製造商將會更倚賴半導體廠商為其設計控制功能和性能的晶片。

不過，與晶片公司的系統級專業技術相比，「純」晶片設計能力的重要性將越來越低。由於FlexRay的精密複雜性使然，晶片設計廠商將無法透過在原有晶片上簡單整合新的智慧財產權模組來參與市場競爭。從宏觀整體的角度來分析之，方法是對標準開發進行長期投資、製定嚴謹現實的環境仿冒計畫，並且積極吸收擁上一代汽車電子技術領域的成功經驗。

與符合這些標準的半導體廠商結盟合作，汽車製造商必能生產出高性能、高安全、高可靠的汽車，全面提升廣大消費者的駕駛體驗。（本文作者為NXP恩智浦半導體業務開發經理）