前言

有鑑於FlexRay設計在汽車工業領域正快速普及，量測儀器廠商便開始研究這項新的通訊匯流排技術上示波器的量測需求。有別於缺乏容錯能力的CAN匯流排，FlexRay匯流排採用一種時間觸發（time-triggered）結構，這個結構也帶來一些特殊的量測技術挑戰。量測廠商在研究相關需求的初期，便發現有兩項重點：其一是汽車系統設計師必須驗證高速差動FlexRay匯流排的類比信號完整性，並驗證發射／接收封包相對於定義之FlexRay整體排程的正確時序。其二則是針對已經正在進行中的FlexRay設計專案，汽車嵌入式硬體設計師可以不用等待新產品涉及廣泛硬體開發時通常所需2年的設計時間，而在此刻便能採用FlexRay示波器量測解決方案。

《圖一　量測廠商推出MSO和BUSDOCTOR 2來執行混合信號的FlexRay量測作業 》 資料來源：安捷倫科技（Agilent Technologies）

其中最容易解決的設計挑戰，是打造一款具備FlexRay訊框觸發和協定解碼能力的示波器，目前許多CAN示波器量測解決方案都有提供類似的功能。至於較不容易的部分，則是必須提供「時間覺察」（time-awareness）能力，這對驗證FlexRay匯流排的確定性效能非常重要。這項需求正意謂示波器需要有如專用FlexRay協定分析儀般複雜的軟硬體設計。雖然廠商將此類技術整合到示波器中的既有能力毫無問題，但卻會使儀器的成本超出大多數設計小組的資本設備預算範圍，並且開發此類儀器可能需要耗費許多時間。因此，如何解決上述課題，便成為FlexRay量測解決方案能否被廣泛應用的重要關鍵。

共同打造解決方案

解決方案的問題意識

正因為產品有相當的複雜度，量測廠商便開始研究可開發出滿足客戶需求的替代方案。目前FlexRay車用匯流排設計人員，已經可以使用像FlexRay設計工具廠商DECOMSYS所生產的協定分析儀，也可以應用例如安捷倫所製造的MSO混合信號示波器。不過進一步地來思考，倘若將這兩項尖端產品結合，那麼提供示波器FlexRay量測方案的內容會是如何？為了更深入瞭解這種想法的可行性，量測廠商和DECOMSYS設計工具工程師便相約聚集進行一場為期2天的腦力激盪會議。會中有關FlexRay量測的最低需求和儀器特性都是討論的重點，這些議題包括：

鐵三角非正式合作

在奧地利維也納DECOMSYS總部經過2天腦力激盪會議的結果，量測廠商與設計工具供應商達成符合客戶所有需求的初步產品定義，並完成相關紙上作業。這項書面產品定義立刻被送往德國南部的重要汽車製造商手中，例如Bosch集團轄下兩個FlexRay 設計團隊，並其中瞭解他們的看法。Bosch的工程師提出許多建議，這對於未來修改產品以達到他們特殊的示波器量測需求有很大的幫助。

《圖二　安捷倫位在美國科羅拉多州科泉市的MSO6000 FlexRay設計團隊 》 資料來源：安捷倫科技（Agilent Technologies）

Bosch的設計師在提議的產品製造出來之後，擔任alpha測試版試用客戶。作為alpha版試用客戶，Bosch可以提前拿到產品原型進行試用和評估。Bosch工程師則必須在設計階段針對設計工具供應商和量測廠商所合作開發的產品，就其操作與功能直接回饋意見。

《圖三　DECOMSYS位在奧地利維也納的 BUSDOCTOR 2設計團隊》

類似由嵌入式汽車電子大廠、FlexRay設計工具供應商、以及量測儀器MSO混合信號示波器供應商所形成的非正式合作，是否真能奏效？如何橫跨克服德國南部Stuttgart區、奧地利維也納、以及美國科羅拉多州科泉市這三方的地域差異以及文化上的挑戰？

初期研發作業項目

設計小組們共花費3個月的時間來修正產品定義。量測廠商以及設計工具供應商承諾投入資金共同開發產品，並接受Bosch擔任alpha版試用客戶的提議，在產品開發的三個確定階段，提供Bosch兩套原型設備及最新的軔體和硬體樣品。

設計小組完成了Alpha 1原型設備，其僅提供非同步量測，並無時間片段覺察相關性內容，且需透過PC來控制BUSDOCTOR 2協定分析儀。這些原型設備後來升級為Alpha 2，進而提供同步量測功能。最後階段當產品設計完全進入實作程序、但尚未完全除錯的階段之後，Alpha 2設備便升級為不需使用PC可單機操作的beta版。該產品具備了目前市面上其他示波器或協定分析儀所沒有的獨特FlexRay量測能力，可完全符合滿足Bosch設計師的需求。

欲克服的重要設計挑戰

整體排程與設定參數

設計小組必須面對其中一個最大的設計挑戰，便是構思出如何在BUSDOCTOR 2中建立用來定義FlexRay的整體排程，以便能使協定分析儀順利運作、並為MSO提供同步量測的設定參數。

設定BUSDOCTOR 2以同步模式運作，通常需要在PC中使用設計工具供應商的VISION軟體，來定義執行協定分析量測所需的FlexRay整體時序排程。但Bosch工程師向量測廠商和設計工具供應商明確表示，無法接受必須在系統中使用PC來執行標準量測的示波器量測解決方案。亦即，示波器和BUSDOCTOR 2模組必須能夠獨立運作 ，排除在量測系統中使用PC的模式。

解決方式

設計小組便構思出相關解決方式，只要設定混合信號示波器接受一個定義FlexRay整體排程的FIBEX檔，便能解決這項使用者介面限制。MSO會剖析FIBEX檔，然後透過示波器與BUSDOCTOR 2間的LAN，將設定參數下載到BUSDOCTOR 2，如此協定分析儀便能以連續的同步模式運作，而不必用到PC控制的使用者介面。

《圖四　MSO和 BUSDOCTOR的即時通訊示意圖》

提供即時回應

設法為示波器的FlexRay量測方案提供即時回應則是另一項設計挑戰。雖然BUSDOCTOR 2可即時產生同步協定分析量測，但要如何才能在最短的等待時間（latency）內，將這項重要的協定和時序資訊傳送到示波器？

解決方法

設計小組利用量測廠商MSO的一項獨特效能，便是16通道的時間相關邏輯信號量測。以FlexRay量測而言，MSO的16個邏輯通道中有8個可作為高速、多波道的串列通訊輸入埠，使用專屬的編碼方式。

此外，BUSDOCTOR未編碼的4位元輸出觸發埠，必須擴充為BUSDOCTOR 2中的一個編碼的8位元／波道埠，以利用MSO的邏輯通道。在BUSDOCTOR 2與MSO之間的這個自訂I／O通訊模式，可以每個通道40 Mbps的速度傳送資料，淨傳輸率可達320 Mbps。

這樣一來，便可在300 ns的固定等待時間下，提供近乎即時的同步或非同步協定資料傳輸。利用自動消除時序不對稱（de-skew）係數，在協定解碼、時槽／分段時序和波形間，提供正確的時間相關性，便能輕易彌補300 ns的等待時間。

獨特的FlexRay量測

Bosch設計師所要求的另一個重要特性，是示波器FlexRay量測解決方案必須能夠在每個擷取到的訊框上，觸發並顯示時間相關的協定資訊；而且示波器必須能依據定義的整體時序排程，來顯示FlexRay時槽和分段的理想時序。FlexRay匯流排是一種時間觸發的確定性匯流排，因此能夠驗證每個訊框的正確時序便顯得非常重要。

《圖五　FlexRay訊框的時間相關性及理想的時槽邊界示意圖 》 資料來源：安捷倫科技（Agilent Technologies）

(圖五)是MSO設定在最後一個排程的89號靜態時槽的觸發範例。此外，為擷取特定的通訊週期，觸發會被限定在10的基本週期和16的重複週期。根據該項設定，示波器只會在週期10、26、42和58上觸發。藍色部分所標示的底部軌跡，顯示每個擷取訊框的標頭和負載協定，而其上方的軌跡則顯示標示顏色的時槽時序邊界。從中工程師可以清楚看到每個擷取訊框都位在指定的時槽邊界內。在此量測範例中，工程師也可以看到從標示橘色的SS 89靜態時槽分段、到標示綠色動態的DS 90迷你時槽分段整體的轉變情形。

在量測廠商與設計工具合力開發的MSO／BUSDOCTOR 2 FlexRay量測解決方案問世之前，一些可執行FlexRay量測的示波器，只能在極少的錯誤像是CRC情況上觸發。但為了能迅速除錯嵌入式系統，FlexRay設計師必須根據各種可能的情況來確認特定的錯誤。(圖六)是在一個空訊框錯誤上觸發的範例，在此例中，示波器會在這個錯誤情況上觸發，並於動態時槽137內顯示一個標示紅色的 Null 訊框錯誤訊息。

《圖六　MSO6000設定在空訊框錯誤上觸發示意圖》

結語

隨著汽車通訊信號愈來愈講究高速而複雜的環境日益成形，嵌入式系統設計師需要可迅速驗證信號完整性和時序的能力。示波器是執行這些類比量測的最佳工具，但示波器通常缺乏同步處理及顯示重要協定資訊所需的精密技術。在國際車廠工程師的協助下，從初期研究階段到產品上市僅花費不到一年的時間，量測儀器廠商和設計工具供應商便可將FlexRay協定分析量測與混合信號示波器結合在一起，進一步滿足今日FlexRay設計人員複雜的量測需求，其過程經驗可提供相關業者參考。（本文作者任職於Agilent Technologies安捷倫科技）