前言

有鉴于FlexRay设计在汽车工业领域正快速普及，量测仪器厂商便开始研究这项新的通讯汇流排技术上示波器的量测需求。有别于缺乏容错能力的CAN汇流排，FlexRay汇流排采用一种时间触发（time-triggered）结构，这个结构也带来一些特殊的量测技术挑战。量测厂商在研究相关需求的初期，便发现有两项重点：其一是汽车系统设计师必须验证高速差动FlexRay汇流排的类比信号完整性，并验证发射／接收封包相对于定义之FlexRay整体排程的正确时序。其二则是针对已经正在进行中的FlexRay设计专案，汽车嵌入式硬体设计师可以不用等待新产品涉及广泛硬体开发时通常所需2年的设计时间，而在此刻便能采用FlexRay示波器量测解决方案。

《图一 量测厂商推出MSO和BUSDOCTOR 2来执行混合信号的FlexRay量测作业 》 数据源：安捷伦科技（Agilent Technologies）

其中最容易解决的设计挑战，是打造一款具备FlexRay讯框触发和协定解码能力的示波器，目前许多CAN示波器量测解决方案都有提供类似的功能。至于较不容易的部分，则是必须提供「时间觉察」（time-awareness）能力，这对验证FlexRay汇流排的确定性效能非常重要。这项需求正意谓示波器需要有如专用FlexRay协定分析仪般复杂的软硬体设计。虽然厂商将此类技术整合到示波器中的既有能力毫无问题，但却会使仪器的成本超出大多数设计小组的资本设备预算范围，并且开发此类仪器可能需要耗费许多时间。因此，如何解决上述课题，便成为FlexRay量测解决方案能否被广泛应用的重要关键。

共同打造解决方案

解决方案的问题意识

正因为产品有相当的复杂度，量测厂商便开始研究可开发出满足客户需求的替代方案。目前FlexRay车用汇流排设计人员，已经可以使用像FlexRay设计工具厂商DECOMSYS所生产的协定分析仪，也可以应用例如安捷伦所制造的MSO混合信号示波器。不过进一步地来思考，倘若将这两项尖端产品结合，那么提供示波器FlexRay量测方案的内容会是如何？为了更深入了解这种想法的可行性，量测厂商和DECOMSYS设计工具工程师便相约聚集进行一场为期2天的脑力激荡会议。会中有关FlexRay量测的最低需求和仪器特性都是讨论的重点，这些议题包括：

铁三角非正式合作

在奥地利维也纳DECOMSYS总部经过2天脑力激荡会议的结果，量测厂商与设计工具供应商达成符合客户所有需求的初步产品定义，并完成相关纸上作业。这项书面产品定义立刻被送往德国南部的重要汽车制造商手中，例如Bosch集团辖下两个FlexRay 设计团队，并其中了解他们的看法。 Bosch的工程师提出许多建议，这对于未来修改产品以达到他们特殊的示波器量测需求有很大的帮助。

《图二 安捷伦位在美国科罗拉多州科泉市的MSO6000 FlexRay设计团队 》 数据源：安捷伦科技（Agilent Technologies）

Bosch的设计师在提议的产品制造出来之后，担任alpha测试版试用客户。作为alpha版试用客户，Bosch可以提前拿到产品原型进行试用和评估。 Bosch工程师则必须在设计阶段针对设计工具供应商和量测厂商所合作开发的产品，就其操作与功能直接回馈意见。

《图三 DECOMSYS位在奥地利维也纳的 BUSDOCTOR 2设计团队》

类似由嵌入式汽车电子大厂、FlexRay设计工具供应商、以及量测仪器MSO混合信号示波器供应商所形成的非正式合作，是否真能奏效？如何横跨克服德国南部Stuttgart区、奥地利维也纳、以及美国科罗拉多州科泉市这三方的地域差异以及文化上的挑战？

初期研发作业项目

设计小组们共花费3个月的时间来修正产品定义。量测厂商以及设计工具供应商承诺投入资金共同开发产品，并接受Bosch担任alpha版试用客户的提议，在产品开发的三个确定阶段，提供Bosch两套原型设备及最新的轫体和硬体样品。

设计小组完成了Alpha 1原型设备，其仅提供非同步量测，并无时间片段觉察相关性内容，且需透过PC来控制BUSDOCTOR 2协定分析仪。这些原型设备后来升级为Alpha 2，进而提供同步量测功能。最后阶段当产品设计完全进入实作程序、但尚未完全除错的阶段之后，Alpha 2设备便升级为不需使用PC可单机操作的beta版。该产品具备了目前市面上其他示波器或协定分析仪所没有的独特FlexRay量测能力，可完全符合满足Bosch设计师的需求。

欲克服的重要设计挑战

整体排程与设定参数

设计小组必须面对其中一个最大的设计挑战，便是构思出如何在BUSDOCTOR 2中建立用来定义FlexRay的整体排程，以便能使协定分析仪顺利运作、并为MSO提供同步量测的设定参数。

设定BUSDOCTOR 2以同步模式运作，通常需要在PC中使用设计工具供应商的VISION软体，来定义执行协定分析量测所需的FlexRay整体时序排程。但Bosch工程师向量测厂商和设计工具供应商明确表示，无法接受必须在系统中使用PC来执行标准量测的示波器量测解决方案。亦即，示波器和BUSDOCTOR 2模组必须能够独立运作 ，排除在量测系统中使用PC的模式。

解决方式

设计小组便构思出相关解决方式，只要设定混合信号示波器接受一个定义FlexRay整体排程的FIBEX档，便能解决这项使用者介面限制。 MSO会剖析FIBEX档，然后透过示波器与BUSDOCTOR 2间的LAN，将设定参数下载到BUSDOCTOR 2，如此协定分析仪便能以连续的同步模式运作，而不必用到PC控制的使用者介面。

《图四 MSO和 BUSDOCTOR的实时通讯示意图》

提供即时回应

设法为示波器的FlexRay量测方案提供即时回应则是另一项设计挑战。虽然BUSDOCTOR 2可即时产生同步协定分析量测，但要如何才能在最短的等待时间（latency）内，将这项重要的协定和时序资讯传送到示波器？

解决方法

设计小组利用量测厂商MSO的一项独特效能，便是16通道的时间相关逻辑信号量测。以FlexRay量测而言，MSO的16个逻辑通道中有8个可作为高速、多波道的串列通讯输入埠，使用专属的编码方式。

此外，BUSDOCTOR未编码的4位元输出触发埠，必须扩充为BUSDOCTOR 2中的一个编码的8位元／波道埠，以利用MSO的逻辑通道。在BUSDOCTOR 2与MSO之间的这个自订I／O通讯模式，可以每个通道40 Mbps的速度传送资料，净传输率可达320 Mbps。

这样一来，便可在300 ns的固定等待时间下，提供近乎即时的同步或非同步协定资料传输。利用自动消除时序不对称（de-skew）系数，在协定解码、时槽／分段时序和波形间，提供正确的时间相关性，便能轻易弥补300 ns的等待时间。

独特的FlexRay量测

Bosch设计师所要求的另一个重要特性，是示波器FlexRay量测解决方案必须能够在每个撷取到的讯框上，触发并显示时间相关的协定资讯；而且示波器必须能依据定义的整体时序排程，来显示FlexRay时槽和分段的理想时序。 FlexRay汇流排是一种时间触发的确定性汇流排，因此能够验证每个讯框的正确时序便显得非常重要。

《图五 FlexRay讯框的时间相关性及理想的时槽边界示意图 》 数据源：安捷伦科技（Agilent Technologies）

(图五)是MSO设定在最后一个排程的89号静态时槽的触发范例。此外，为撷取特定的通讯周期，触发会被限定在10的基本周期和16的重复周期。根据该项设定，示波器只会在周期10、26、42和58上触发。蓝色部分所标示的底部轨迹，显示每个撷取讯框的标头和负载协定​​，而其上方的轨迹则显示标示颜色的时槽时序边界。从中工程师可以清楚看到每个撷取讯框都位在指定的时槽边界内。在此量测范例中，工程师也可以看到从标示橘色的SS 89静态时槽分段、到标示绿色动态的DS 90迷你时槽分段整体的转变情形。

在量测厂商与设计工具合力开发的MSO／BUSDOCTOR 2 FlexRay量测解决方案问世之前，一些可执行FlexRay量测的示波器，只能在极少的错误像是CRC情况上触发。但为了能迅速除错嵌入式系统，FlexRay设计师必须根据各种可能的情况来确认特定的错误。 (图六)是在一个空讯框错误上触发的范例，在此例中，示波器会在这个错误情况上触发，并于动态时槽137内显示一个标示红色的 Null 讯框错误讯息。

《图六 MSO6000设定在空讯框错误上触发示意图》

结语

随着汽车通讯信号愈来愈讲究高速而复杂的环境日益成形，嵌入式系统设计师需要可迅速验证信号完整性和时序的能力。示波器是执行这些类比量测的最佳工具，但示波器通常缺乏同步处理及显示重要协定资讯所需的精密技术。在国际车厂工程师的协助下，从初期研究阶段到产品上市仅花费不到一年的时间，量测仪器厂商和设计工具供应商便可将FlexRay协定分析量测与混合信号示波器结合在一起，进一步满足今日FlexRay设计人员复杂的量测需求，其过程经验可提供相关业者参考。 （本文作者任职于Agilent Technologies安捷伦科技）