【FlexRay介面技術系列(一)】
隨著2006年寶馬汽車(BMW)率先在X5系列豪華運動休旅車(SUV)車款上整合FlexRay，FlexRay隨即成為熱門話題。其主要用於控制 X5系列的適應駕駛系統，可根據路況變化迅速反應並進行相對調整，因而一般預測，2007年全球主要的汽車製造商都將加速在高階車款上部署FlexRay 產品的步伐。
在X5系列的底盤和懸架控制系統中使用FlexRay也許並不算是大手筆，但其實寶馬的目的是要向所有駕駛者介紹新一代的車用控制匯流排，而此一作法也將有助進一步收集系統在實際運作時的相關數據資料。
汽車系統日益複雜 匯流排重要性提升
由於汽車變得更加複雜，所增加的系統也越來越多，不可避免需要更加精密的控制手法。據悉，配備FlexRay的下一批車款將於未來3年陸續上市，值得注意的是，其中匯流排的角色會越來越重要。
就如同X5系列的適應駕駛系統，FlexRay的部署從各獨立系統的控制著手，取代控制器區域網路匯流排(CAN Bus)。不過，由於CAN暫時無法支持其他FlexRay應用，因此FlexRay將與CAN並存一段時間，而CAN目前仍為最重要的車用匯流排。至於另一種適用於車窗控制和其他簡單功能的區域互連網路匯流排(LIN Bus)，在短期內也不會被取代。
不過，可以確定的是，由於FlexRay擁有高達10Mbit/s的頻寬，較CAN的1Mbit/s高出10倍，以及能夠確保對關鍵性任務作出極快回應的確定性協議，因而能夠降低製造成本，大幅提升汽車可靠性。汽車製造商們都相信，採用FlexRay將很快成為確保安全和性能不可或缺的一環，最終更將成為所有安全及駕駛功能的首要通訊管道。
車內網路連結技術持續演進
FlexRay被視為一項可實現線控轉向、線控煞車等X-by-wire的技術，能夠將汽車性能提升到前所未有的水準。包括製造效率、安全規範和便捷功能等其他發展趨勢，也持續驅動FlexRay的普及。
由於FlexRay具有高頻寬、內建容錯功能和確定性協議，都是針對先進汽車性能而設計的，因而FlexRay適合應用在包括線性節點型、主動星型、被動星型或是網路拓撲架構等組合。再加上FlexRay技術能夠延伸到其他領域，因此未來幾十年都可迎接新的技術挑戰而不至於遭淘汰。
由於汽車電子對駕駛體驗的意義越來越大，因而從引擎管理開始，再加上所有主要系統，如傳動系統、車身、底盤、駕駛輔助系統和主、被動安全系統，以及汽車音響等，都一步步演進為電子控制。
早在90年代初，部分汽車製造商就已經將上述系統相互連結，使其可以互相反應，不過早期多以CAN將原先各自獨立的電子控制單元(ECU)加以連結。尤其電子控制技術能力提升，ECU數量急遽增加，網路化ECU趨勢轉向分散式系統(Distributed Control System)，相關功能散布於多個ECU中。但系統日趨複雜，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，而這也是先進分散式控制系統的唯一出路。
一切都從晶片開始
由於FlexRay並不是簡單的協議，要在晶片上成功實現FlexRay通訊協定，須對其控制系統和使用這些系統的應用及環境有深入了解，因此晶片設計必須相當複雜、精密。
舉例來說，欲在晶片系統中採用最新FlexRay 2.1通訊協定的汽車，其處理能力必須達到相當於32位元微控制單元在80MHz運作時的水準。也就是說，該晶片必須擁有早期英特爾Pentium微處理器的處理能力。因此，要說FlexRay的一切都架構在晶片上，一點也不為過。此外，支援FlexRay的晶片尚需要一個多層匯流排，這也是早期 Pentium處理器所沒有的。
同時，須注意的是，FlexRay在未來一段時間仍將與其他控制匯流排並存。因此在通訊閘應用中使用該晶片時，必須整合各種通訊控制單元，也就是前文提及的FlexRay 2.1通訊控制單元、至少5～6個CAN 2控制單元和LIN 2主控制單元。
雖然設計FlexRay控制單元採用的架構不只一種，各種架構和設計的排列組合數量相當龐大，但能夠以最低成本獲得最佳性能的方式仍只有一種。如圖1為架構最高層的兩種選擇，分別是以通訊控制單元為中心的晶片，和以微處理器為中心的晶片。
如果以控制單元為中心，主要考慮在微控制器(MCU)裸片上嵌入控制單元，也就是直接整合為IP區塊。若以MCU為中心，則需要更長時間、精力和豐富的創造力，將控制單元功能以高精度的模式整合到MCU中，使其與MCU緊緊相連。當然，後者的技術較為困難，並且需要更多應用知識，但效果也更好。以MCU為中心的方法描述如圖2所示。
一般來說，影響晶片性能的關鍵在於控制單元與主機的介面。高精細的整合使得晶片設計人員可以從頭開始設計，而不是使用FlexRay控制單元獨立晶片提供的介面。另外，利用MCU固有的功能如ARM 9的多層系統匯流排，可設計自定義介面，提升總體性能和系統的靈活性，並確保架構的可擴展性。
通訊協定引擎為關鍵
通訊協定引擎(Protocol Engine)是通訊功能的另一關鍵元素。如前文所述，FlexRay並不是一項簡單的通訊協定，它會因環境要求隨時發生變化，故通訊協定引擎必須高效、靈活，並符合標準，也只有熟知通訊協定及對各種實際應用迅速產生回應，才能實現這些特性。
在FlexRay聯盟的120家公司中，只有極少數可以做到。高門檻的原因是要開發出有意義的FlexRay元件，並使整個系統運轉正常，必須了解整個通訊協定及其與系統其他部分相互作用的情況。
FlexRay聯盟是於2000年由寶馬汽車、戴姆勒‧克萊斯勒(Daimler Chrysler)、當時為飛利浦半導體的恩智浦半導體(NXP)和前身為摩托羅拉半導體部門的飛思卡爾半導體(Freescale)等業者所共同創建的產業聯盟。過去6年已有超過120家公司加入FlexRay聯盟。
由於FlexRay晶片系統市場將快速成長，並形成巨大的市場規模，因此，許多半導體公司紛紛投身FlexRay行列。
如恩智浦半導體的S2510就是一例。該產品具有幾項與眾不同的特性，如基於ARM7和ARM9核心，採用以MCU為中心的架構，都能夠為設計人員和終端用戶帶來不少益處。S2510還可提供汽車工程師企求的循環多工轉換技術(Cycle Multiplexing)，因而更加受到重視。
循環多工轉換有諸多好處，其中之一是讓設計工程師更加有效地使用頻寬。因循環中的時段可由多個數據流重複使用，而不為少量使用的單個時段保留。該技術進一步提升系統效率，尤其在更新數據間的時間槽(Time Slot)超過循環時間時更為顯著。
FlexRay收發器對容差要求高
如圖2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，負責發送和接收透過FlexRay匯流排在晶片間傳送的電訊號。
對以前的汽車網路如CAN來說，收發器設計較為簡單；但FlexRay則不同，對容差(Tolerance)，也就是匯流排上傳輸波形的定時和形狀要求較高。
前文曾提及，FlexRay標準定義了主動節點型、主動星型和被動星型等網路拓撲架構，而上述每種拓撲架構對收發器的性能要求均不相同，因此收發器必須能完全滿足所有主動和被動架構的要求。
這項要求的原因在於，設計團隊在初期很可能使用主動架構，但隨著系統要求提升，專業知識增長，又再轉為使用被動拓撲架構，成為更大的考驗。而收發器若能夠應對兩種拓撲架構，就意謂著儘管拓撲架構變得更加複雜，也毋須使用新元件。
如恩智浦的T1080就是具有完整功能的FlexRay收發器。該FlexRay收發器可同時支援節點型和星型配置，並同樣具有靜電放電保護(ESD)和功耗管理性能。寶馬汽車的X5系列，採用的就是T1080，同時用於節點型和星型配置中。
隨著汽車電子技術成為提升功能和性能的重要驅動力，汽車製造商也逐漸走向合作模式，更倚賴半導體公司為其設計控制功能和性能的晶片。
不過，由於FlexRay精密複雜，晶片商除在原有晶片上整合新的矽智財(SIP)來參與市場競爭外，系統級專業技術設計能力，也更形重要。