近年來車輛電子的蓬勃發展，讓汽車得以放置大量的電子控制元件，並藉以提升車輛的性能、安全與舒適性。在人類身上，必須藉助複雜的神經網路來控制身體各處器官，以維持身體的正常活動。同樣地，汽車內複雜的電控系統，也需要一套車身網路來幫助分散在車身各處的電子元件相互溝通、協調。
汽車利用車身內部的匯流排通訊系統傳輸資料，至今已有幾十年的歷史，期間發展超過四十種以上的汽車通訊協定。在發展初期，美國汽車工程師協會(SAE)將車內通訊協定，概括粗分為：Class A、Class B、Class C等三項規範，區分為三種不同的傳輸速率，分別應用在不同的車內電子系統上，如：電動座椅、空調、車身電子診斷系統、汽車動力系統。
隨著通訊、網路技術向上發展，加上新的車用通訊協定不斷被開發出來，過去這三項規範已不符合目前車內龐大電控系統所需，並逐漸衍生出各式不同車用電子設備，如：行動多媒體系統平台(Mobile Media)、安全匯流排(Safety Bus)、 線控操作(X-by-wire)及車內偵測網路系統(Diagnostics)等。
依據傳輸特性與使用領域的不同，各大車廠採用的車身網路協定，大致有區域互聯網路(Local Interconnect Network, LIN)、控制區域網路(Controller Area Network, CAN)、多媒體導向傳輸系統(Media Oriented System of Transport, MOST)與FlexRay，本文將深入探討上述四種通訊協定的技術與發展趨勢。
LIN用於車輛周邊系統
區域互聯網路(LIN)主要應用於車輛的次要系統上，如電動窗、車燈控制、電動椅及空調等，為一種低成本的串列通訊系統。LIN的通訊概念包含一個主機節點和一個或多個從屬節點，訊息採用廣播的方式傳遞。LIN最早的1.0版本於1999年發表，目前最新的規格版本為2003推出的2.0版。
在LIN系統中，所有節點都包含一個發送和接收任務的從屬通訊任務，而主節點還包含一個主發送任務，在LIN裡面，通訊總是由主發送任務所發起。主節點發送一個包含同步中斷、同步位元組和消息識別碼的訊息由標頭(Header)，如圖1所示。從屬任務在收到和過濾識別碼後會被啟動，並開始傳輸訊息的回應。回應可以包含兩個、四個或八個數據位元組和一個校驗和(Checksum)位元組，整個訊息是由Header和回應兩個部分所組成。
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圖1 LIN訊框 |
訊息的識別碼指明訊息的內容而非訊息的目的地，這種通訊概念能以多種方式實現數據交換，例如從主節點到一個或多個從屬節點、從從屬節點到主節點或其他從屬節點、直接從從屬節點到從屬節點發送訊號而無須透過主機節點路由、從主節點向網路的所有節點廣播消息。訊息訊框的佇列由主節點所控制，在主節點調度訊框中，訊息的數目、佇列和頻率是由傳輸率、系統回應時間和時間行為所決定的。因此，在系統設計過程中，必須周密考慮各種情況，因為如果主節點丟失一個從屬節點消息，由於主從概念，這個消息將最早只能在下一個調度序列到達主節點。另外，LIN協定在每一個訊息訊框啟動時，提供一個專用的同步模式，允許不具有石英或陶瓷振盪器的從屬節點將其本地時基與主機節點的時基同步。
LIN實體層是單線傳輸，透過從Vbat的終端電阻向導線或匯流排供電，匯流排收發器是根據ISO 9141標準所實現，利用兩個互補的邏輯電位，也就是接近於地的電壓顯性值(Dominant Value)表示邏輯「0」，電壓接近於電池供電電壓的隱性值(Recessive Value)表示邏輯「1」，LIN實體層邏輯電位如圖2所示。
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圖2 LIN實體層邏輯電位 |
該匯流排的終端部分使用1k(在主機節點)和30k(在從屬節點)的提升電阻，從屬節點的終端電容器通常為220皮法(pF)。LIN實體層規格對收發器具有很高的要求，收發器的發射訊號必須不干擾其他電子元件，且須滿足汽車製造商的電磁相容性(EMC)要求。因此，必須採取一些特殊的機制，例如可使用波形整形或邊緣修整技術來減少收發器的輻射。
LIN協定的關鍵特性之一是可以使用低成本振盪器之從屬節點，LIN規格容許從屬節點的不同步時脈偏差為15%。如果時脈偏差超過15%，主機節點將發送一個數值為零的數據位元組，這個位元組將會被從屬節點識別為同步中斷(Sync Break)。為實現正確通訊，從屬節點必須有能力重新同步並在LIN訊框的時間內保持穩定(同步偏差低於2%)。
汽車車門電子功能的是一個使用LIN匯流排很好的實例，在保持相同設計和對其餘從屬節點硬體和軟體沒有任何影響的情況下，可以隨意增減設計功能，整個車門電子功能的LIN功能包括帶有/不帶防夾的車窗控制、馬達脈衝寬度調變(PWM)控制、車窗位置監控；門鎖控制(包括馬達控制和門開接觸控制、開關面板控制和開關照明)等。後照鏡功能亦被整合在一個或更多個LIN的從屬節點上，例如包括鏡子上下、進出馬達控制、加熱、轉向燈、減少刺眼現象等。
目前，LIN標準已經被許多汽車製造商採納，汽車製造商已經在使用LIN匯流排系統進行量產，並且工具製造商、半導體供應商和第三方軟體供應商已經提供了大量的工具、硬體和軟體。透過定義良好的開發過程和元件一致性測試可以達到所要求的高品質和LIN通訊的設計。
CAN控制汽車主幹系統
CAN是德國Bosch所發展的串列資料通訊協定，為一分散式多主節點的網路架構，通訊速率最高可達1Mbit/s。通訊介質可以是簡單的雙絞線、同軸電纜或光導纖維。CAN常用的技術版本可以分為2.0A與2.0B兩種，兩種最大的不同在於訊息仲裁辨識符號(Arbitration Identifier, ArID)長度的不同。
最初CAN只被設計作為汽車環境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置(Electronics Control Unit, ECU)之間交換資訊，形成汽車電子控制網路。例如，引擎管理系統、變速箱控制、儀表、電子主幹系統中，均嵌入CAN控制裝置。1993年，CAN已成為國際標準ISO11898(125k～1Mbit/s)和ISO11519(10k～125kbit/s)。
由CAN匯流排構成的單一網路中，理論上可以掛載無數個節點。但是，在實際應用中，節點數目受網路硬體的電氣特性所限制。基於CAN可提供高達1Mbit/s的資料傳輸速率，這使即時控制變得非常容易，而且硬體的錯誤檢驗特性也增強了抗電磁干擾能力。CAN的訊號傳輸距離在達到1公里時，仍可提供高達50kbit/s的資料傳輸速率(表1)。
| 表1 CAN傳輸距離及傳輸速度比較 |
| 傳輸距離 |
傳輸速度 |
| 40公尺 |
1Mbit/s |
| 500公尺 |
125kbit/s |
| 1公里 |
50kbit/s |
| 10公里 |
5kbit/s |
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在CAN標準中，僅對兩通訊設備之間資料連結層和實體層進行定義，因此使用者具備極大的使用彈性，架構在OSI底層上的應用層協定可以由CAN使用者定義成適合特別工業領域的任何方案。而在CAN通訊底層的多種實體介質中，雙絞線最常被採用。在ISO-11898規範中，如圖3所示，訊號使用兩條訊號線進行差動電壓傳送，這兩條訊號線被稱為CAN_H和CAN_L，靜態時均為2.5伏特左右，此時表示狀態為邏輯「1」，也可以叫做「弱勢位元」(Recessive Bit)。CAN_H比CAN_L高表示邏輯「0」，稱為「強勢位元」(Dominant Bit)，此時，通常電壓值約為：CAN_H＝3.5伏特，CAN_L＝1.5伏特，而訊號即以上述二者的差值編碼。
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圖3 ISO11898與ISO11519-2差動電壓位元編碼比較圖 |
CAN通訊協定具有兩種訊息訊框格式，一為標準格式訊框，另一為延伸格式訊框，兩者之間唯一的區別在於ArID的長度，如圖4所示。Bosch CAN2.0規範中分別定義，標準格式訊框具有11位元的ArID長度，而延伸格式訊框，則具有29位元的ArID長度。
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圖4 標準訊框與延伸訊框比較 |
CAN規範中包含四種訊框，分別為資料訊框(Data Frame)、遠端傳送要求訊框(Remote Transmit Request Frame)、錯誤訊框(Error Frame)、超載訊框(Overload Frame)。其中主要進行資料傳輸的訊框為資料訊框與遠端傳送要求訊框，兩者之間最大的差別為遠端傳送要求訊框並沒有資料欄位。CAN具有以下通訊特徵：
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CAN只有定義訊息識別碼，但並沒有定義節點位址，因此網路上傳遞的訊息是以訊息辨識碼來進行辨識。另外訊息識別碼還包括訊息優先權的仲裁判斷，所以辨識碼在整個通訊系統中必須是獨一無二的。CAN在傳輸資料時，其遵循的機制為載波偵測多重存取/碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA)。
如圖5所示，匯流排存取衝突碰撞是由ArID去辨識各個節點，然後逐個比較ArID的位元，而檢驗出優先權。如果同時多個節點開始發送訊息時，較低的ArID二進位數值的訊息會擁有較高的優先權，並且可以取得匯流排發送權。匯流排上所有的訊息會互相競爭匯流排的使用權，競爭匯流排失敗的將會自動成為接收者，並且不會企圖重新傳輸，直到匯流排呈閒置狀態，可以再使用時，再根據當時競爭者的優先權去決定誰具有匯流排的使用權。
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圖5 ArID仲裁範例 |
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CAN是根據廣播通訊的機制運行，使用者可於軟體中設置訊息過濾器(Filter)或者訊息遮罩(Mask)，以決定節點是否要接收在匯流排上的訊息。訊息過濾器及訊息遮罩與訊息識別碼的欄位寬度的大小皆相同並且互相對應，訊息遮罩決定訊息識別碼與訊息過濾器之相對應的位元是否要進行比較，而訊息過濾器上相對應的位元則為比較之內容。若在未設置訊息過濾器及遮罩的情況下，節點將會接收到每筆匯流排上的訊息。這樣廣播通訊的機制，使得CAN不須建立節點與節點之間的通訊連結關係，這也讓匯流排上的節點彼此能夠共享訊息。 |
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要在CAN匯流排上增加節點非常容易，並且不須對現有節點作任何硬體或者軟體上的變動(此一優點來自於CAN的資訊傳遞機制)，使CAN符合電子化模組和分散式過程同步的概念。例如，網路上進行傳輸時，可以動態的增加一個節點或者減少一個節點，並不用變更整個匯流排上任何節點的軟硬體，這使得CAN匯流排通訊協定非常容易維護以及升級。理論上網路系統連結的節點數量並沒有限制，但是實際上接續的數量會因為匯流排的延遲時間和電氣裝置的負荷而受到限制。因此降低匯流排通訊的速度能夠讓更多的節點連接上匯流排網路；反之，增加匯流排通訊的速度時必須減少網路上節點的數量。 |
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一般的匯流排系統中，任何一個錯誤的節點通訊速度可能會造成整個網路系統癱瘓，但是CAN能自動將錯誤的通訊速度的節點由匯流排上排除，以避免這方面的破壞。在CAN匯流排系統的規範中，允許節點傳輸請求訊框(RTR)，傳輸請求訊框也按照優先權順序的重要性運行，當匯流排發生超過負載的情況時，又發生高優先權的節點立即需要資料作為資訊，此時該節點可以立即傳送RTR索求資料，使得傳輸請求訊框的節點可以取得即時的回應，並存取到所需求的資訊。這也表示整個系統下每個節點各自等待的時間較少。 |
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CAN匯流排上錯誤的偵測、處理及資料的再傳送都是由硬體來處理，另外也使用位元填充的技術來做雙重的訊號保護。在欲傳送之訊息資料中連續出現五個相同準位的訊號時，不管是強勢位元或弱勢位元，就會自動充填一個相反的位元，而接收方在接收資料時便會把資料訊號中連續五個相同的位元之後的相反位元拿掉，在錯誤偵測的技術上，會偵察到位元錯誤率(Bit Error)、填充錯誤(Stuff Error)、循環冗餘檢查錯誤(CRC Error)、格式錯誤(Form Error)、確認錯誤(Acknowledgment Error, ACK Error)五種錯誤型式，如此更可保證資料的完整性。 |
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在一般網路系統中，若某個節點發生故障，往往造成整個網路的癱瘓而無法正常運作。但是CAN匯流排能防止與解決這類事件，因為CAN定義每個節點都必須執行傳送錯誤與接收錯誤兩個計數器。如圖6所示，當傳送錯誤發生時便將傳送錯誤計數值(TXERRCNT)加1，而傳送成功便會減1；接收的錯誤計數值(RXERRENT)也是如此。當傳送錯誤計數值超過255時，該節點將進入關閉(Bus Off)狀態，即中止任何與該節點所有傳送與接收的動作以維持頻寬。而計數值小於128時為錯誤主動模式(Error Active)狀態；大於128且小於255時為錯誤被動模式(Error Passive)狀態，此兩種狀況還不會影響該節點的正常動作，故匯流排仍在運行(On)狀態。
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圖6 CAN匯流排錯誤模式狀態圖 |
雖然新的通訊協定不斷推出，並具備CAN所沒有的優點，反觀CAN則是20年前所發展的技術。然而最新最好的通訊技術，不一定會成為成功的通訊協定，因為一個通訊協定的成功並非僅考慮到協定本身的技術層面，而是牽扯到眾多的因素。因此，雖然CAN算是長老級的通訊協定，但廣受工業界與車輛界採用，面對不斷推出的新通訊技術，CAN未來的發展與市場仍讓人無法忽視。 |
MOST擅長多媒體娛樂設備相互通訊
車身網路的應用，隨著現今車輛擁有眾多的通訊娛樂設備，也逃脫了傳統車身控制的狹隘應用。當這些複雜又各自獨立的通訊娛樂設備想要相互通訊以提供更好更方便的服務時，MOST提供了最佳的解決方案。MOST支援多種網路結構與多重主系統(Multi-master)，點與點之間最高頻寬可達24.8Mbit/s。此外MOST擁有頻寬保證的能力，透過控制指令，MOST可將總頻寬分成若干的子通道。
MOST系統架構由三部分構成
對應於ISO/OSI模型，MOST同樣定義了相關應用、網路以及MOST硬體部分，並將其歸納為MOST系統服務，MOST系統服務由三個部分構成：底層系統服務--實體層和資料鏈路層(硬體實現)、基礎層系統服務--網路層到會議層(軟體實現)以及應用介面--表述層和應用層(軟體實現)。
其中底層系統服務將集成於收發器(Transceiver)中，在硬體層上實現MOST設備的啟動與關閉，同樣設備在網路中位置的確定，同步的確定，CRC驗證也都將由收發器來實現，由此在開發MOST匯流排系統時，毋須重新進行硬體的開發。收發器則通過基礎層系統服務來控制，該系統服務可整合於單晶片之中，如果單晶片功能強大的還能部分涵蓋應用介面的功能。應用介面直接與應用設備相連接，如CD播放機，導航系統等，該設備能直接對下層的系統服務進行控制，與收發器之間進行控制資料以及訊號的交換與傳遞。
MOST匯流排能夠支援多種拓撲結構，如環狀、星狀、樹狀或是這幾種類型的組合。在環狀拓撲時，各裝置作為環狀結構中的一個節點並與其他節點進行點對點的通訊，其中任意一個設備都可以被設置為主控端(Master)。MOST中每個設備都具有一個接入端和一個輸出端，收發器接收到資料後進行處理並從另一端輸給下一個設備的接入端，依次迴圈。
MOST實體層定義光訊號資料流程
MOST的實體層定義了串列的光訊號資料流程，各個設備之間為點對點連接，傳輸媒介是塑膠光纖(Plastic Optical Fiber, POF)，如圖7所示。電光轉換器(Electrical Optical Converter, EOC)將從收發器發出的電子訊號轉化為光訊號通過光纖傳輸到另一個設備的光電轉換器(Optical Electrical Converter, OEC)上，並將電子訊號傳送給該設備的收發器。
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圖7 實體層構造 |
相較於光纖10～400微米的半徑，塑膠光纖顯得更粗，約有1毫米左右；也使得塑膠光纖可使用較低要求的聯結技術，因此塑膠光纖能在汽車工業中得以運用。而塑膠光纖相對比較大的衰減係數，也可以因為汽車中各個設備之間的連接局限於8公尺左右而得以忽略。但塑膠光纖由於其自身的物理特性不像銅軸那樣的牢固，不能承受太大的壓力，一般不得高於50牛頓米(Nm)。
MOST訊框結構
在MOST匯流排中，如圖8視為一個完整的MOST完整結構。訊框表示一個完整的通訊週期，長度是固定為512位元，十六個訊框將作為一個區塊(Block)。一個訊框由以下幾個單元構成：
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作為同步位元使用，並通過雙相(Bi-phase)方式進行編碼。 |
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由於在MOST中，同步與非同步通道的寬度是可以靈活設置的，其具體的長度將由Boundary Descriptor來確定。原則上，資料通道頻寬總共為60位元組(Bytes)，其中每四個位元組作為一個Quadlet。 |
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資料將直接由資料來源傳遞到接受方，沒有中間緩存，至少具有一個Quadlet的通道，最多為15 Quadlet。 |
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資料將以資料包的形式進行傳輸，並經過CRC驗證，通道寬度為16 Bounday Descriptor×4位元組。 |
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各個MOST設備之間的控制訊號，每個訊框占2Bytes，而一個完整地控制訊息訊框(Control Message Frame)必須具有32Bytes，因此每十六個MOST訊框能構成一個完成的Control Message Frame。 |
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用於網路控制，MOST採用了1位元的「同位元」(Parity)來進行資料驗證，非同步資料將進行CRC驗證，但只有當控制資料發生錯誤時，才有應用層發出指令進行再次傳遞，普通的資料將無法得到更正或重複，這將造成音訊訊號偶爾的失真，或者視訊訊號的跳真。
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圖8 MOST訊息訊框結構 |
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MOST具有同步機制
為能進行正確的資料傳送與接收，MOST匯流排需要全域的時脈同步訊號，除了在訊框中4位元的後同步訊號，MOST系統需要一個設備作為主定時產生器(Timing Master)，理論上所有的設備都能通過設置作為Timing Master，此時其他的設備都處於Slave的模式下，Timing Master負責生成發送系統的時脈訊號，Slave設備通過匯流排來獲取時脈訊號。由於整個MOST系統是完全同步的，所有與匯流排相連的設備都與匯流排同步，因此緩衝區將不再被需要，將降低設備成本。
在MOST匯流排中的取樣頻率一般為30k～50kHz，所採取的取樣頻率將依據應用的不同而有所變化，例如CD的取樣頻率一般為44.1kHz，如果網路中只有音訊設備，那匯流排系統將採用44.1kHz的頻率，如果在網路中還具有DVD設備，DVD的取樣頻率為48kHz，那麼不同的設備之間則需要取樣頻率的轉換。
相對於其他的車身網路協定，MOST的定位比較屬於多媒體的相關應用，目前車輛上多媒體設備並沒有一個統一的通訊媒介，各設備之間也不一定可以相容或溝通。然而面對汽車娛樂設備的快速發展，未來車輛娛樂設備的相互整合是未來發展的趨勢，此時，MOST提供了一個不錯的解決方案。
FlexRay滿足高速應用需求
FlexRay目前的技術規格V2.1，不但跨足了車用電子通訊領域，也對現有的CAN協定構成了強大的威脅。充滿彈性與高速傳輸速率等優點，讓FlexRay聯盟(FlexRay Consortium)在推廣此技術時，擁有不少籌碼。
網路拓撲結構對於汽車網路系統安全具有重要的影響，要保證汽車環境下通訊系統的可用性和可靠性，須對於特定應用進行優化。具有創新功能和安全特點的FlexRay，目前已運用於BMW X5的底盤部分展開試驗性應用。FlexRay滿足未來先進汽車高速控制應用的需要，同時支援分散式控制系統，並可彌補CAN、LIN和MOST等主要車用網路標準的不足。FlexRay協定主要定義於需要高速通訊頻寬和決定性容錯資料傳輸能力的底盤控制、車身和動力總成等場合。
FlexRay具同步傳輸/低傳輸延遲特點
FlexRay可涵蓋汽車領域介面應用的一些特點：FlexRay具有整體性的時基(Time Base)，能達到容錯性(Fault-tolerant)的時脈同步。亦即，不管行車環境惡劣複雜，嚴重到干擾系統傳輸，FlexRay也能盡可能保持傳輸運作的同步。傳統的匯流排設計多採用「碰撞偵測」的方式來仲裁爭取傳輸權，但如此一來，將容易使匯流排傳輸效率低落、傳輸延遲時間不定和難以有傳遞上的時效保證，但是FlexRay分成靜態的排程和動態的仲裁，兼顧事件觸發與時間觸發機制，可以有效避免匯流排的碰撞存取。FlexRay以時槽(Time Slot)方式進行等時、等量傳遞，能限定並且保證訊息傳遞的最長延遲時間。無論是單傳輸通道(Channel)或雙傳輸通道，都可以提供容錯性傳輸，讓傳輸容錯設計及運作，更具有彈性(Scaling)和擴展。
低傳輸延遲(50微秒以內)也是FlexRay一大特點，雖然CAN後續也於ISO11898-4增加Time-Triggered的特性，但畢竟CAN Bus有許多既有傳輸特性是以事件觸發(Event Triggered)為基礎，要以原有基礎延伸支援時間觸發(Time Triggered)有其困難限制。而FlexRay本身即採用時間觸發機制，並以動態的時槽來兼顧事件觸發機制，讓傳遞延遲具有更周嚴的管控性。而容錯方面，不論車用環境惡劣多變，車控傳輸網路必須在實體線路與協定傳輸上都具有高干擾抗受性，也因此FlexRay提出備援性(Redundant)傳輸，不過，此種傳輸方式相當耗費傳輸頻寬，所以備援性傳輸被設定為選用功能，只針對嚴苛關鍵的必要傳輸才須使用，並非所有傳輸都會運用。
最後，FlexRay也在連接拓撲的組態上擴充，過往車控介面多只能用匯流排式的連接，而FlexRay不僅支援基礎常見匯流排式連接法，也允許改採星狀(Star)連接法，這種方式有助於強化車中的局部傳輸頻寬、傳輸時效，但線路成本也比較高，相對的傳統匯流排式連接法的組態則有簡易、低廉的好處。
FlexRay的主要應用是在高頻寬、高容錯、低延遲的需求上，傳統的CAN網路最高性能極限為1Mbit/s，但是FlexRay具有兩個通訊通道，兩個通道的傳輸速率理論上最大皆可達到10Mbit/s，若兩個通道一起使用進行通訊，則總傳輸速率可達到20Mbit/s(單一通道為10Mbit/s)。因此，FlexRay的傳輸頻寬是CAN的二十倍之多，如表2所示，為FlexRay與CAN/LIN的比較。FlexRay還能夠提供很多CAN網路所不具有的可靠性特點，尤其是FlexRay具備的冗餘通訊能力可實現通過硬體完全複製網路配置，並進行進程(Process)監測。
| 表2 FlexRay與CAN/LIN的比較 |
| 編號 |
項目 |
LIN |
CAN |
FlexRay |
| 1 |
傳輸數率(Max) |
20Kbit/s |
1Mbit/s |
雙通道可達20Mbit/s |
| 2 |
支援傳輸通道數 |
單一通道 |
單一通道 |
單/雙通道 |
| 3 |
支援網路拓撲形式 |
匯流排 |
匯流排 |
匯流排/星狀與兩種混合 |
| 4 |
支援最大節點數 |
建議最多十六個節點 |
‧與傳輸數率有關
‧500Kbit/s時可達十六個節點 |
‧匯流排結構二十二個節點
‧星狀結構六十四個節點 |
| 5 |
實體層材質 |
金屬(Metal) |
金屬(Metal) |
金屬(Metal)/塑膠光纖(POF) |
| 6 |
通訊方式 |
事件觸發(Event Triggered) |
事件觸發(Event Triggered) |
時間觸發(Time Triggered)與事件觸發(Event Triggered) |
| 7 |
資料辨識位元(ID) |
6位元 |
11/29位元 |
11位元 |
| 8 |
最大資料長度 |
2/4/8位元組 |
0～8位元組 |
0～254位元組 |
| 9 |
訊息結構 |
訊框(Message Frame) |
資料封包(Data)、遠端封包(Remote)、錯誤封包(Error)、超載封包(Overload) |
資料封包(Data) |
| 10 |
節點狀態 |
喚醒/休眠 |
Error Active/Error Passive/Bus Off |
Normal Active/Normal Passive/Halt |
| 11 |
通訊錯誤形式 |
- |
Bit Error/Stuff Error/CRC Error/Form Error/ACK Error |
時脈同步錯誤(Clock Sync. Error) |
| 12 |
頻率振盪 |
陶瓷及/或石英晶體(主節點) |
陶瓷及/或石英晶體 |
石英震盪器 |
| 13 |
網路管理機制 |
軟體 |
軟體 |
硬體 |
| 14 |
網路同步機制 |
只有在synch_ field時同步 |
只有在synch_ field時同步 |
依比例補償 |
| 15 |
網路支援最大線路長度 |
40公尺 |
‧與通訊速率成反比
‧1Mbit/s時可達40公尺 |
22公尺(星狀結構) |
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FlexRay拓撲配置靈活
FlexRay同時提供靈活的拓撲配置，如線性被動匯流排(Linear Passive Bus)、主動/被動星狀網路(Active/Passive Star Network)以及上述兩類的混合拓撲(Mixed Topology)，圖9為混合拓撲示意圖，表示主動式星狀拓撲可有許多分支連接到匯流排型拓撲或是被動式星狀拓撲，表示通訊系統可透過結合兩種或兩種以上的該類型拓撲來配置分散式系統的網路架構。
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圖9 混合拓撲示意圖 |
與匯流排結構相較，星狀連接器的優勢在於接收器和發送器之間提供點對點連接，這在高傳輸速率和長傳輸線路環境中更能保證傳輸的成功率。另一優點是故障隔離功能，如果訊號傳輸使用的兩條線路短路，匯流排系統在該訊息通道中便不能進行進一步的通訊；若使用星狀拓撲結構，則只有到星狀連接短路的節點才會受到影響，其他所有節點仍然可以繼續與其他節點通訊。
另外，FlexRay可進行同步(即時)和非同步的數據傳輸，來滿足車輛中各種系統的需求，譬如分散式控制系統通常要求即時的同步傳輸。為了滿足這兩種不同的通訊需求，FlexRay在每個通訊週期內都提供靜態時槽區段(Static Segment)和動態時槽區段(Dynamic Segment)，圖10所示為FlexRay的通訊週期。靜態區段可以提供有限的延遲訊息傳輸，用於固定時間觸發的方法來傳輸訊息；而動態通訊則有助於滿足在系統執行期間內透過事件觸發的即時回應需求，使用於較靈活的時間觸發方法來傳輸訊息。
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圖10 FlexRay通訊週期 |
FlexRay在每個時槽中的傳輸訊框格式可分為起始節(Header Segment)、承載節(Payload Segment)和追蹤節(Trailer Segment)三個區段，圖11為FlexRay的訊框格式。其中第一個部分是Header Segment，包括：
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指明訊框承載(Frame Payload)區段的向量訊息。 |
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指出在系統設計過程中分配的每個節點ID(1～2047)。 |
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表示同步訊框指示位、起始訊框指示位以及ID的CRC計算值。 |
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指明在訊框傳輸時間內，傳輸訊框節點的週期計數。
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圖11 FlexRay的訊框格式 |
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第二個部分是Frame Payload Segment，包含有Data Field是放置資料的區域，可放置0～254Bytes的資料長度，若該訊框是經由靜態時槽區段所傳輸，則最先的0～12Bytes將可以被放置網路管理向量(Network Management Vector, NWVector)數值，這有利於被接收節點用來過濾不需要的訊息。第三個部分為訊框的結尾Trailer Segment，長度為24位元，內容為CRC計算值。
由於汽車中電子應用數量和複雜度的增加，目前主流的汽車通訊系統CAN將漸漸無法滿足需求。因此，新一代通訊技術FlexRay的高可靠性與容錯機制及高頻寬等，皆能實現複雜的應用，如X-by-wire轉向、煞車等。相對於CAN而言，FlexRay須要處理更多參數、排程，像是須管理超過四十個以上的匯流排參數和每個控制器也超過三十個以上的參數。如果像CAN把訊息區分優先次序是不夠的，FlexRay還須定義一個精確的進度表。
(本文作者任職於車輛研究測試中心)