汽車電子匯流排網路的特性

汽車本身就是一套整合各類複雜系統的行動裝置。如今汽車已開始逐漸擺脫單純以機械連桿或油壓原理來驅動控制煞車或駕駛系統的設計架構，朝向以汽車電子系統來操作控制傳輸訊息。一部汽車平均有80個以上的電子零組件和模組在運作，汽車電子系統正邁向多核心網路的車電網路系統架構（Multiple Core Networks Vehicle Electronics System Architecture）目標前進。

《圖一　多核心車電網路系統架構示意圖 》 資料來源：Renesas

因為汽車不能像電腦可以當機，否則會提高駕駛風險，屬於高可依賴式系統（dependable system）的汽車電子系統，特別在引擎／傳動和懸吊／底盤系統上，除了嚴格講究不容些許差池的高安全性外，也要避免電磁干擾（Electromagnetic Interference；EMI）、提高操作可靠性以及簡化系統控制。但汽車內部各採用不同網路架構，電子控制單元（ECU）越來越多，整體引擎／傳動系統、懸吊／底盤系統、車身系統、資通娛樂系統、安全系統與防盜保全系統的連結架構已因此更為複雜，頻寬需求也越來越高，於是如何提升控制訊息的精確性，便相當重要。這時汽車若還是採用以往傳統電纜方式，設計會更麻煩、線材成本會更沈重、檢測保養也會更繁瑣，因此以匯流排（Bus）方式為基礎取代電纜傳輸的架構，除了能解決上述問題外，也能排除線路老化或磨損的問題。

《圖二　車輛底盤次系統示意圖 》 - BigPic:793x540 資料來源：2007年台灣車輛國際論壇（TAIFE 2007）現場

總而言之，汽車電子產業需要的是：藉由整合標準化設計的高速車用匯流排（Data Bus）與新一代車用網路架構，符合車用安全相關嚴格的檢驗程序，支援車內各分散式控制系統，有效提升不同微控制系統間或是與感測器之間的資料傳輸和即時通訊控制。這個網路架構就需強調時間觸發快速回應緊急訊息的確定性（Deterministic）功能、具備高傳輸速率、擁有容錯（Fault-tolerant）能力、可結合高性能MCU以及收發器、能滿足電子線控（X-by-wire）等特性。

各類車用匯流排網路簡介

與一般電腦結構較不同的是，車用系統匯流排通常包括網路分層結構，不同的車用匯流排協定，是針對不同的局部控制或是整車系統控制所設計，因此功能上也有所差異。目前車用匯流排大致可分為五大類：

CAN

目前車用匯流排網路協定，大部分以銅線為材質的CAN（Control Area Network）以及LIN（Local Interconnect Network）等為主，CAN或LIN最多只能支援1Mbps和20 kbps的傳輸速度，不過設計靈活，均仍扮演重要角色。由德國車廠提出在分散式車身控制系統中的CAN匯流排已有20餘年，最初動機就是為有效管理現代汽車越來越多ECU之間的訊息傳輸，並減少不斷增加的銅線線路。CAN主要控制車內各電子系統裝置及ECU之間的訊息傳輸，被廣泛應用在像是儀表板、安全氣囊、汽車動力及車身控制系統中，目前仍是汽車內部通訊的主流標準。

《圖三　以CAN為核心的混合動力系統 》 資料來源：2007年台灣車輛國際論壇（TAIFE 2007）現場

LIN

LIN匯流排以局部控制電路系統為主，無需與汽車其他元件進行大量通訊，因此具備低成本、低傳輸速率、短距離特色，適合用來組成CAN的次網路（sub network），補充現有汽車多重傳輸網路。LIN主要應用於車身控制例如電動車窗、電動座椅、雨刷控制以及後視鏡等。汽車業界把這兩種協定互通性結合起來，組成結合CAN／LIN匯流排的分散式控制系統。

《圖四　結合CAN／LIN匯流排的車體分散式控制系統示意圖 》 資料來源：http://www.semiapps.com.cn/content.php?content_id=60721135707468000&node_id=22

不過隨著車用多媒體娛樂系統應用日漸普及，帶動高頻寬車用網路的設計需求，光纖為主的光通訊匯流排也正在崛起，以用來增加傳輸效率、減少車輛線路以及降低電磁干擾EMI等，這包括Byteflight、MOST、IDB-1394甚至是FlexRay等。

MOST和IDB-1394

其中MOST最被看好成為下一世代車用多媒體娛樂傳輸標準。MOST傳輸速度可達25和50 Mbps，IDB-1394則可提供400 Mbps。IDB-1394非常靈活，可支援各種網路拓撲，包括匯流排、樹狀、環狀或星狀等。MOST主要只支持環形拓撲，若需應用於要求更嚴苛的環境中，則可改採星狀或雙環狀拓墣，此外MOST因沒有接地迴路，可避免電磁干擾。一般來說，MOST可做到每秒傳輸23M Baud，最多可支援64個裝置。

FlexRay為何崛起

如上所述，新一代整合標準化設計的高速車用匯流排與車用網路架構，需可支援車內各分散式控制系統，能精確控制傳遞各系統電子元件的訊息。CAN無法滿足高速頻寬的要求，亦缺乏容錯能力，此外CAN比較欠缺安全控制上的即時傳遞效能，可能會引起控制反應遲鈍問題。再者現有的LIN和CAN並非針對電子線控高速控制系統而設計，FlexRay可讓各項操控都改以電子線控（X-by-wire）來操作，取代以往的機械連桿操控或油壓操控架構。

FlexRay的設計初衷，也是補充現有LIN和CAN，並不是取而代之。在電控分散式系統中的所有應用資訊，都可藉由FlexRay通訊協定連接起來，相關功能可在一定已知時間範圍內執行完畢。

《圖五　FlexRay骨幹架構應用示意圖 》 資料來源：NEC Electronics Europe；www.eu.necel.com/.../040_flexray/index.html

FlexRay功能面面觀

FlexRay發展到現在已經進入V2.1階段，單一通道（channel）傳輸速度可達10Mbps，大幅超越現有CAN的20倍。FlexRay備受青睞矚目，主要是因為具備容錯與時間觸發即時控制功能，能可靠並精確傳送相關安全控制訊息，其雙通道備援架構，正好符合高階安全系統的容錯備援需求。這將使汽車發展成百分百的電控系統，完全不需要後備機械系統的支援，比起目前的CAN Bus架構更能方便建構可依賴式系統（dependable system）。

此外，FlexRay可以藉由減少平行的CAN數目降低系統成本，並且可按應用需要選擇支援包括匯流排、點對點、被動星狀與主動星型拓墣（active-star topologies）的網路形式。擁有上述性能的FlexRay，便被視為是下一世代整合引擎控制和車身傳動、底盤和懸吊、以及電子線控駕駛（X-by-wire）等的主流匯流排協定。

《圖六　FlexRay整合CAN和LIN匯流排關鍵架構示意圖 》 資料來源：Renesas

靈活、可實現容錯、支援分散式控制系統的FlexRay，其主要功能如下。

線控操作驅動

FlexRay的重要目標應用之一是線控操作，包括線控駕駛（drive-by-wire）、線控轉向（steer-by-wire）、線控煞車（brake-by-wire）等。漢翔航空工業（AIDC）科技服務處處長林南助表示，電子線控技術就如同飛機系統的fly-by-wire數位飛行控制系統一般，需要較高的系統可靠度。FlexRay目標便是要減少車輛控制對液壓系統的依賴程度，利用具容錯設計的電氣／電子系統，取代機械／液壓操作架構，補充並進而取代目前的機械和液壓零組件，使相關設計、製造、組裝成本能夠大幅降低。

《圖七　以FlexRay設計線控煞車架構示意圖 》 資料來源：Renesas

FlexRay支援的線控系統，包括應用於ECU元件的車輛控制節點、每個車輪提供的單獨節點和?車踏板車輪節點。系統包含大量感測器、機電制動器、電控模組（ECM）和減速裝置。機電制動器在每個車輪上產生制動力，由中心ECU控制，並由電?車踏板模組所發出的訊號來執行。FlexRay在此便可提供通訊協定，支援整個系統的高速資訊傳輸。

林南助處長表示，在國際上導入某一特定功能的線控操作解決方案，必需同時考量市場導入時所需的車輛安全法規議題。因此在導入線控功能時，漢翔航空工業AIDC將以引進飛機系統fly-by-wire 設計時的可依賴性系統架構為基礎，考量汽車駕駛操控的特性，進行系統實做、驗證與量產成本的規劃，作為確立目標功能的導入及評估依據。

時間觸發（Time-triggered）

以往的CAN車用匯流排設計，多採「碰撞偵測」的事件觸發型（Event-Triggered）方式，亦即訊息調度是藉由訊息識別字元暗中分配消息的優先順序來排定，讓低優先順序訊息延遲、而高優先順序訊息先行傳送。因此除了最高優先順序訊息，其他任何訊息的傳輸時間延遲順序不定，這容易造成匯流排傳輸效率低落，無法確保傳遞時效。

FlexRay採用時間觸發型的完全確定性（Fully Deterministic）傳輸方式，亦即控制訊號是根據已定義的時間進度傳輸，訊息必須相對所計劃的任務順序來調度。無論系統外部發生任何情況，在確定性的演算法中，FlexRay會預先定義精確且按特定輸入設定為基礎的輸出結果，並且結果可控制接續的操作內容，讓FlexRay能保持在50μS內的低傳輸延遲效率，藉此確保將資訊延遲和訊息抖動降至最低，減少網路衝突的數量，這項功能對需要持續性的電子線控駕駛來說非常重要。

兼顧同步或非同步傳輸

FlexRay本身是以時間觸發型為主，但也可在設計上鎖定雙取向應用，加入動態運用的微時槽（Micro Time Slot）機制，亦即每個電子控制單元訊息在通訊週期中，都分配到相對應唯一的固定時槽訊號，這便能掌握任務的靜態及確定性，如此可兼顧事件觸發型所需的應用傳輸特性。

《圖八　兼顧動態與靜態的FlexRay微時槽機制示意圖 》 資料來源：Freescale

因此FlexRay能支援同步或非同步資料傳輸，同步資料傳輸便可實現時間觸發通訊，以滿足分散式控制系統對於可靠性的要求，確保每個訊息都能得到所需的頻寬和時槽；而FlexRay以Byteflight協定基本原理所設計的非同步資料傳輸，在事件觸發的通訊中，則允許每個節點利用全部頻寬。

林南助處長便強調，FlexRay定義靜態資料節以及動態資料節（static and dynamic segments）共存的架構，讓系統設計更具彈性。靜態資料節提供時趨式確定性的資料傳輸，動態資料節提供彈性的時間分割多重存取機制（flexible TDMA），工程師能夠根據應用需求進行客製化設計。這也讓FlexRay名符其實成為可兼顧靜態和動態插槽的延展性系統。

備援性（Redundant）

車用環境惡劣多變，實體線路與協定傳輸都需具備較高的抗受性，FlexRay可支援備援性（亦稱為冗餘）的雙通道傳輸方式，傳輸速度可達20Mbps。FlexRay的備援性通訊能力，能實現硬體完全複製網路配置，設計人員可以結合兩種或兩種以上的拓墣類型來配置分散式系統。不過此種傳輸方式相當耗佔傳輸頻寬，所以備援性傳輸被視為選用功能，只針對嚴苛關鍵的必要傳輸才使用，並非所有傳輸都會運用。

容錯（Fault-tolerant）

容錯功能是當系統的不同部分出現故障，系統仍將按照設計繼續運行。FlexRay支援多種級別的容錯功能，提高傳輸容錯設計及運作縮放的可擴充性。具容錯操作功能的FlexRay，對於確保線控?車系統的絕對可靠性非常重要。

簡言之，FlexRay具有整體性的時基（Time Base），能達到容錯性的時脈同步。行車環境即便惡劣多變導致干擾系統傳輸，FlexRay也盡可能保持傳輸運作的同步。

《圖九　FlexRay網路通訊階層架構示意圖 》 資料來源：Freescale

整合匯流排與網路拓墣

以往車控介面多只能用匯流排連接方式，FlexRay不僅支援能將車用電子及周邊設備連接於被動式匯流排上的網路架構，也可採被動星狀、主動星狀、也能應用在組合上述的混合型拓墣結構中。FlexRay有別於以往CAN Bus的直線式匯流排，讓系統設計時可以增加點對點的主動星狀連結，對於車輛碰撞後的擠壓變形提供更高可靠性的容錯連結模式。並且，星狀拓墣可以檢測到出現問題的分支或者傳輸時間超過限制的訊息，當檢測到此類異常問題時，主動星狀連接器便會斷開受影響的網路分支，進而確保網路其他分支的通訊作業不受影響，倘若被動匯流排纜線長度超過限制，星狀拓墣亦可作為耦合器。不過相對而言，星狀線路成本也較高，匯流排模式則較為簡易且價格低廉。

《圖十　FlexRay網路拓墣結構 》 資料來源：evaluation engineering；http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/0305/0305flexray.asp

至於被動匯流排拓墣的主要優勢在於採用設計工程師目前熟悉的汽車網路架構，可有效控制成本。若在容錯功能並非必要，而需更高頻寬、更短延遲時間或確定性的傳輸方式時，被動匯流排拓墣非常有用。其典型的應用方式就是直接替換CAN，當速度低於1Mbps，網路允許以CAN匯流排結構支援傳輸；當速度在1Mbps以上時，不同的節點則可利用主動星狀耦合器，以點到點方式進行連接。

《圖十一　FlexRay節點結構示意圖 》 資料來源：Fujitsu

抗干擾光纖傳輸

FlexRay能同時支援CAN、LIN及MOST等電氣與光纖物理層，這可使車廠根據需要採用客製化佈線方案。光纖傳輸具有不受電磁干擾EMI的特點，而電磁干擾可對電氣線路上的通訊，造成很大的破壞性。林南助處長進一步說明時便指出，FlexRay實體層的分離終端（Split-termination），能導引外界射頻產生的電流，進而提昇系統的抗干擾能力。

《圖十二　FlexRay與CAN在車用環境的耐受程度比較圖 》 資料來源：Freescale

FlexRay應用發展現況

FlexRay聯盟已經公布FlexRay V2.1協定與物理層一致性測試。目前國際車廠包括Bosch、Volkswagen、General Motors、Daimler Chrysler等均支持FlexRay，首次採用FlexRay 的BMW新款SUV X5電子控制減震器系統，是應用於氣體阻尼系統（pneumatic damping system）上，全面運用FlexRay技術的量產車款，預計要到2008年才會接續問世。

《圖十三　BMW開發FlexRay應用階段示意圖 》 資料來源：Freescale

晶片大廠也開始發展FlexRay系列控制器產品，包括NXP、Freescale、Infineon、Renesas、Fujitsu、TI等。未來FlexRay V2.1 MCU必須能夠整合多個LIN 2.0和CAN 2.0B控制器，並準備整合MOST匯流排和乙太網路。基本上收發器和邏輯電路是FlexRay控制解決方案的核心，前者在匯流排上發送和接收數據，後者則包括基本的微控制器功能及專門針對FlexRay的通訊控制。FlexRay拓墣的靈活性、以及兼顧事件觸發或時間觸發的作業模式，豐富了收發器的設計內容。不過FlexRay協議的微控制器與收發器不會整合於單一晶片中，因為FlexRay聯盟規定為了提高安全性，將控制協議的晶片與收發器晶片分開，此外這可降低整合兩者不同製程的技術難度。

若要在收發器和微控制器通訊之間，用FlexRay協議落實控制功能，基本方法有兩種，其一是設計獨立的通訊控制器IC，另一是將採用FlexRay的平台策略整合在MCU架構中。將MCU和通訊控制器整合在單顆晶片上，可減少元件數量，降低組件成本並縮短工程設計時間，而且還有記憶體共享等其他優勢。當微控制器和通訊控制不要求單獨記憶體時，設計者甚至可在降低系統成本的同時，在晶片上實現更多性能。

《圖十四　FlexRay扮演車用網路骨幹角色示意圖 》 資料來源：Freescale

將FlexRay控制器整合在MCU架構的另一個優勢，是可在硬體或軟體上分區設計，這使FlexRay能真正實現靈活性和可擴充性。漢翔AIDC的FlexRay系統實驗室，正著重於如何考量ECU屬性、功能及性能需求，讓FlexRay匯流排在固定頻寬內結合不同功能、性能及可靠度需求，使ECU能有效互聯運作。考量FlexRay通訊介面控制器實務應用系統的普及程度，漢翔所建置的FlexRay實驗室雛形環境，將運用FlexRay實體層，改善車電應用可靠度、分析模組以及系統測試等項目。

林南助處長指出，目前國際上也在發展FlexRay標準的系統工程以及軟體工程模型，這些包括美國CMU大學軟體工程學院的整合式能力成長模型（Capability Maturity Model Integrated）CMMI V1.2版，以及歐洲的ISO／IEC 15504軟體程序改進以及能力評估模型（Software Process Improvement and Capability dEtermination；SPICE）、以及歐洲的汽車產業軟體可靠度協會MISRA（Motor Industry Software Reliability Association）的程式撰寫標準，漢翔AIDC已取得基本的CMMI V1.2 Level II資格，往後也將繼續取得CMMI Level III及Level IV。

標準即將啟動出發

FlexRay並非僅僅是一個通訊協議而已，FlexRay還定義了不同節點元件間的硬體和軟體介面，以及汽車系統中的通訊過程格式和功能。藉由FlexRay標準，相關量測廠商和測試機構也提供可保證FlexRay車用系統設計和測試驗證所需要的工具方案。

FlexRay是整合車用電子、系統與控制網路架構的革新設計，汽車電子產業除了縝密規劃相關晶片方案外，多網路和異質網路之間的gateway聯繫設計也是重點，這也包括選擇FlexRay的多拓墣形式、掌握網路上分散ECU節點內的軟體工作排程（task scheduling）、所有節點的網管機制、以及網路節點偵測與管理等等。傳統跨國車廠、Tier 1與Tier 2的車用系統與零件商、車用電子晶片廠商、系統開發商等，已經開始相互結盟，積極開發FlexRay車用匯流排網路解決方案，在FlexRay帶動下，汽車電子產業也以嶄新風貌連結啟動準備上路！