前言

下一代汽车控制汇流排正在改变全球汽车制造商和半导体供应商之间合作模式，2007年是全球主要的汽车制造商加速在高阶车款上架构FlexRay产品步伐的一年。当2006年BMW率先在其全新的X5系列豪华SUV车款上整合FlexRay之后，随及引起业界的广泛讨论。 FlexRay主要应用于控制X5系列的适应驾驶系统，可根据路况变化迅速反应并进行车控调整。

或许在X5系列的底盘和悬架控制系统中使用FlexRay并不算是大手笔的投资，但新一代车用控制汇流排已经以崭新之姿呈现在世人面前。汽车技术的每项进步都是不断演进的结果，这项革新演进方案能够降低制造成本、大幅提升汽车可靠性，也将有助于汽车设计人员进一步收集系统在实际运作时的相关数据资料。

FlexRay将取而代之

由于汽车变得更加复杂，内部增加的系统也越来越多，不可避免地汽车需要比CAN​​和LIN更加精密的控制手法，再加上其他发展趋势也在持续推广FlexRay的普及化，包括制造效率、安全规范和便捷功能的增加趋势，业界预估在2010年之前，其他汽车制造商也将加快架构FlexRay于新用车款中，汇流排的角色会越来越重要。

就像X5系列的适应驾驶系统，汽车制造商部署FlexRay，将先从各独立系统的控制来着手。未来CAN将无法支持其他的FlexRay应用，很快地采用FlexRay将成为确保汽车安全和性能必不可少的一环，FlexRay终将进而取代控制区域网路汇流排（CAN bus）、成为所有安全及驾驶功能的首选通讯管道。

不过在这段过渡期间，FlexRay将与CAN并存，而CAN目前仍会是占主导地位的车用汇流排；至于也是属于区域网路汇流排性质、适用于车窗控制和其他简单功能的LIN，在短期内也将持续被车厂设计人员应用。

FlexRay的技术优势

从传输需求的角度来看，CAN仅为1Mbps，而Flexray可以达到10Mbps，未来的汽车需要实现更高的频宽。并且，汽车还需要确保能够对关键性任务，作出极快回应的确定性协议内容。此外，可实现线控转向和煞车（X-by-wire）的技术也是必备条件，从这几点来看，FlexRay均可担负未来车用汇流排功能的角色。

FlexRay的10Mbps频宽、内建容错功能和确定性协议，正是针对上述要求而设计的。 FlexRay适合多种网路拓扑架构︰线性节点、被动星型、主动星型、或者是组合上述的混合网路拓墣架构。 FlexRay技术能够延伸到其他领域，因此未来几十年都可迎接各种车用技术的挑战。

演进而非变革的发展趋势

汽车电子技术对驾驶体验的意义越来越重大。之前，每个电子控制单元（ECU）都是独立的功能单元，随着电子控制技术能力的提升，ECU的数量也在增加，网路化ECU的趋势便开始转向分散式系统（Distributed Control System） ，把功能散布于多个ECU中。

由于系统日趋复杂，人们认识到车内网路不仅要提供更快的数据传输，还要提供具有确定性、容错特性的通讯连接规格，这是未来分散式控制系统的唯一出路。因此从以往引擎管理需求开始，经过汽车音响的革新浪潮，到如今汽车内部所有的主要系统，包括传动系统、车身、底盘、驾驶辅助系统和主被动安全系统，都逐渐演进为电子控制装置。

FlexRay晶片设计大要

提高FlexRay晶片整合度

从车用半导体厂商的角度来看，汽车若采用FlexRay 2.1协议标准的晶片系统，处理能力要达到相当于32位元微控制器在80 MHz运作时的水准。这也就表示，FlexRay晶片必须拥有早期英特尔Pentium微处理器的处理能力。再者，FlexRay晶片还需要早期Pentium处理器所没有的多层汇流排。

并且，FlexRay在未来一段时间内仍将与其他控制汇流排并存，因此在通讯闸应用中使用FlexRay晶片时，必须整合三种通讯控制单元︰FlexRay 2.1通讯控制单元、至少5至6个CAN 2控制单元、以及多个LIN 2主控制单元。

开放FlexRay架构设计

FlexRay并不是一项简单的协议，半导体厂商若要在晶片上成功落实FlexRay协议，就必须对控制系统及其应用环境多所了解，以符合FlexRay晶片设计复杂且精密的需求。

设计FlexRay控制单元可采用不止一种架构，还有其他更多选择实现各种功能。 FlexRay架构和设计的排列组合数量相当庞大，不过只有一种能够以最低成本获得最佳性能。

《图一两种完整的FlexRay 2.1控制IC架构出发点示意图》

两种设计模式

FlexRay晶片有两种设计模式，(图一)为架构最高层的两种选择，其一是以通讯控制单元为中心的晶片；其二则是以微处理器为中心的晶片。

如果以控制单元为中心，半导体厂商应把主要考虑放在如何在MCU裸片上嵌入控制单元，亦即直接整合为IP。以MCU为中心的方法需要更长的时间、更多的精力和更丰富的创造力，厂商需煞费苦心地将控制单元功能，以高精度的模式整合到MCU中，使其与MCU紧紧连在一起。以微处理器为中心的晶片更加困难，并且需要更多应用知识，但效果也会更好。

影响晶片性能的关键，在于控制单元与主机的界面。高度精细的整合模式，能让晶片设计师从头开始设计，而不是使用FlexRay控制单元独立晶片所提供的界面。至于利用MCU固有的功能、采取类似ARM 9的多层系统汇流排设计自定义界面，则可以提升总体的性能和系统的灵活性，此架构还可确保高效能的可扩展性。 (图二)是对以MCU为中心的晶片设计简述示意图。

《图二 控制单元与主机的界面采用FlexRay性能的关键预测器》

在早期FlexRay的控制单元中，大​​多数便以ARM7和ARM9为核心，采用MCU为中心的架构，NXP的方案还可提供循环多路复用技术（Cycle multiplexing）。循环多路复用有许多好处，其中之一便是让设计工程师能更加有效地使用频宽，因为循环中的时段可由多个数据流复用，不因较少使用的单个时段而保留。这项技术能进一步提升系统效率，尤其是在更新数据间的时间槽（Time slot）超过循环时间时，更为显著。

协议引擎要弹性灵活

协议引擎也是影响FlexRay通讯功能的另一项关键要素。 FlexRay会顺应环境要求不时发生变化，因此协议引擎必须具备高效能、灵活弹性并符合标准要求，要开发能使整体系统运作正常的FlexRay元件，也只有熟知协议及其对各种实际应用状况了解的半导体厂商，才能实现这些特性。

为保证晶片产品能完全符合FlexRay标准，厂商最好将协议引擎与FlexRay标准建立在相同的「参考模型」上，并相互合作，例如Freescale和NXP便共享各自的专业技术，共同创建一个协议引擎，采用控制单元整合主机界面的概念，便是一个很明显的例子。

FlexRay收发器设计方向

如图二所示，收发器晶片同样是应用FlexRay的关键元件。收发器在物理层运作，负责发送和接收藉由FlexRay汇流排在晶片间传送的电子讯号。

以往的CAN汽车网路，收发器设计相对简单。 FlexRay则大大不同，对汇流排上传输波形的定时和形状，亦即容错（Tolerance）的要求很高。

此外，FlexRay标准定义了线性节点、被动星型、主动星型这三种网路拓扑架构，每一种拓扑架构对收发器的性能要求均不相同，因此收发器必须都能满足所有主动和被动网路拓墣架构的需求。

这点非常重要，因为汽车设计团队在设计初期很有可能使用被动架构，尔后随着系统要求的提升，便会转而使用主动拓扑架构。收发器若能支援两种拓扑架构，意味着往后要是拓扑架构变得更加复杂，也就无需使用新元件。这将有助于简化汽车设计团队的作业流程。例如BMW X5系所采用的FlexRay收发器，便是NXP可支援线性节点与星状网路拓墣的FlexRay收发器，并具备TESD保护和管理功耗性能。

FlexRay前景看好

全球汽车制造商和半导体供应商之间的合作模式，正因为FlexRay而开始改变。随着汽车电子技术成为提升功能和性能的重要驱动力量，汽车制造商也逐渐朝向合作模式发展。在此模式中，汽车制造商将会更倚赖半导体厂商为其设计控制功能和性能的晶片。

不过，与晶片公司的系统级专业技术相比，「纯」晶片设计能力的重要性将越来越低。由于FlexRay的精密复杂性使然，晶片设计厂商将无法透过在原有晶片上简单整合新的智慧财产权模组来参与市场竞争。从宏观整体的角度来分析之，方法是对标准开发进行长期投资、制定严谨现实的环境仿冒计画，并且积极吸收拥上一代汽车电子技术领域的成功经验。

与符合这些标准的半导体厂商结盟合作，汽车制造商必能生产出高性能、高安全、高可靠的汽车，全面提升广大消费者的驾驶体验。 （本文作者为NXP恩智浦半导体业务开发经理）