多年來，設(shè)計(jì)人員一直依靠控制器局域網(wǎng) （CAN） 在汽車的各個(gè)子系統(tǒng)和電子控制單元 （ECU） 之間進(jìn)行可靠的通信。然而，隨著板載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，所需的數(shù)據(jù)吞吐量以及對(duì)更低延遲和更高級(jí)安全性的需求也在增加，所有這些都在嚴(yán)格的尺寸、重量和成本限制內(nèi)完成。盡管如此，許多設(shè)計(jì)人員還是不愿意改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且由于CAN規(guī)范和相關(guān)IC解決方案的穩(wěn)步改進(jìn)，他們不必這樣做。

遷移到另一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜芾щy，因?yàn)闀?huì)損失先前的投資，并且隨著設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)曲線向上移動(dòng)，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)延遲。但是，通過再次查看CAN規(guī)范增強(qiáng)功能可以避免這種情況，例如用于更高吞吐量的CAN靈活數(shù)據(jù)速率（FD），使用部分網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來處理泄漏和干擾，使用更嚴(yán)格的時(shí)序裕量來確保更高數(shù)據(jù)速率下的可靠通信，以及增強(qiáng)的安全性。

此外，CAN收發(fā)器供應(yīng)商本身也通過集成度更高的解決方案來響應(yīng)設(shè)計(jì)要求，這些解決方案結(jié)合了CAN增強(qiáng)功能，以更好地服務(wù)于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、動(dòng)力總成和信息娛樂等新興應(yīng)用。

本文簡(jiǎn)要討論了CAN及其增強(qiáng)功能，包括設(shè)計(jì)人員如何管理向更高級(jí)迭代（如CAN FD）的過渡。在此過程中，它將介紹合適的CAN解決方案以及如何使用它們來實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率，更高的可靠性和更高的安全性。

CAN靈活的數(shù)據(jù)速率

隨著車輛現(xiàn)在有更多的電子設(shè)備，設(shè)計(jì)人員需要更高的性能，但與其轉(zhuǎn)移到完全不同的網(wǎng)絡(luò)，不如利用CAN增強(qiáng)功能，從CAN FD開始。這提供了高達(dá)5 Mbits/s的速率，而ISO 1標(biāo)準(zhǔn)中定義的原始CAN規(guī)范的速率為11898 Mbit/s（最大值）。這種數(shù)據(jù)速率限制迫使汽車設(shè)計(jì)人員在車內(nèi)添加更多的CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和連接，不可避免地導(dǎo)致更多的布線、功率損耗和重量。

CAN FD標(biāo)準(zhǔn)解決了帶寬難題，同時(shí)在標(biāo)稱條件下將數(shù)據(jù)速率提高到2 Mbits/s，在編程模式下將數(shù)據(jù)速率提高到5 Mbits/s。這一主要的 CAN 增強(qiáng)功能改進(jìn)了幀速率，將數(shù)據(jù)字段從 8 字節(jié)增加到 64 字節(jié)，以便更有效地支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型應(yīng)用（圖 1）。

圖 1：2012 年更新的 CAN FD 標(biāo)準(zhǔn)將有效負(fù)載中的最大數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)從 8 字節(jié)擴(kuò)展到 64 字節(jié)。（圖片來源：微芯科技）

從經(jīng)典CAN過渡到CAN FD

隨著攝像頭和傳感器（包括高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS））的增加，通過車載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不斷增加。雖然更高速的CAN FD網(wǎng)絡(luò)可以提供幫助，但它們?cè)陂_發(fā)過程中確實(shí)需要更高的精度。例如，在更高的數(shù)據(jù)速度下，穩(wěn)定位值的可用裕量會(huì)迅速縮小，從而增加了出錯(cuò)的可能性并破壞了CAN的固有可靠性。

CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸還可能產(chǎn)生干擾漏電流等問題。此外，在實(shí)施經(jīng)典CAN的同時(shí)實(shí)施CAN FD系統(tǒng)在確保不會(huì)因混合網(wǎng)絡(luò)安排而引入錯(cuò)誤方面提出了重大挑戰(zhàn)。

為了幫助解決其中一些問題，[Microchip Technology]推出了[MCP2561/2FD]高速CAN收發(fā)器。該器件提供與其前代產(chǎn)品 [MCP2561/2] 相同的內(nèi)核特性，但增加了有保證的環(huán)路延遲對(duì)稱性，以支持 CAN FD 所需的更高數(shù)據(jù)速率（圖 2）。這反過來又減少了最大傳播延遲，以便在CAN總線上支持更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接和更多的節(jié)點(diǎn)。具體而言，MCP2561/2FD CAN收發(fā)器的最大傳播延遲為120納秒（ns）。

圖 2：MCP2561/2FD CAN 收發(fā)器具有保證的環(huán)路對(duì)稱性，可在 CAN 總線上實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接和更多節(jié)點(diǎn)。（圖片來源：微芯科技）

Microchip和其他CAN收發(fā)器供應(yīng)商也在實(shí)施符合ISO 11898-2：2016標(biāo)準(zhǔn)的部分網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。部分聯(lián)網(wǎng)通過支持選擇性喚醒功能和自主總線偏置，確保從經(jīng)典CAN系統(tǒng)平穩(wěn)過渡到更高速的CAN FD系統(tǒng)。

例如，[恩智浦半導(dǎo)體的][TJA1145]高速CAN收發(fā)器支持高達(dá)2 Mbits/s的數(shù)據(jù)速率，并通過稱為FD Passive的選擇性喚醒功能集成部分網(wǎng)絡(luò)。它允許不需要通信CAN FD消息的常規(guī)CAN控制器在CAN FD通信期間保持睡眠/待機(jī)模式，而不會(huì)產(chǎn)生總線錯(cuò)誤。

最終，所有CAN控制器都將被要求符合高速CAN總線標(biāo)準(zhǔn)，將所有CAN總線節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為FD有源節(jié)點(diǎn)。但在此之前，部分網(wǎng)絡(luò)將彌合經(jīng)典CAN和CAN FD世界之間的差距。

恩智浦還提供CAN FD Shield技術(shù)，該技術(shù)使用高精度振蕩器動(dòng)態(tài)過濾CAN FD報(bào)文。與部分聯(lián)網(wǎng)一樣，采用FD Shield功能的CAN收發(fā)器可直接替代現(xiàn)有收發(fā)器，因此不需要更改軟件。恩智浦已經(jīng)完成了對(duì)采用汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）的FD Shield技術(shù)的評(píng)估，并將樣品提供給主要的汽車OEM和一級(jí)供應(yīng)商。

使用較小的CAN收發(fā)器提供總線保護(hù)

Along with faster data rates, designers can take advantage of highly integrated CAN solutions that reduce the BOM cost and board space. However, the devices are often near each other as well as other sensitive electronics, so care must be taken that they don’t cause interference, or become susceptible to interference, so electromagnetic interference (EMI) and noise immunity are important characteristics. Often CAN transceivers use discrete filters, common-mode chokes and transient voltage suppression (TVS) devices to counter the ESD and EMI-centric problems.

For more on the important topic of TVS for CAN bus, see “Design-In TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability.”

However, automotive designers are increasingly looking for ways to reduce weight and cost in CAN-based designs. For example, the [TCAN1042]and [TCAN1051] transceivers from [Texas Instruments] have removed the choke to reduce the component count while still complying with strict noise immunity requirements (Figure 3).

Figure 3: The TCAN1042 CAN transceiver provides protection features to enhance CAN robustness and is used in applications such as automotive HVAC control modules and RF smart remote controls. (Image source: Texas Instruments)

The protection against high bus fault and electrostatic discharge (ESD) is crucial in CAN systems which are now catering to 12 volt, 24 volt, and 48 volt battery requirements in vehicles, as well as 24 volt industrial power supplies. It guards CAN bus pins against short-to-DC voltages with better matching of the output signals.

The TCAN1042 and TCAN1051 transceivers provide ESD protection of up to ±15 kilovolts (kV), which potentially eliminates the need for external TVS diodes. Also, designers can quickly and easily evaluate the performance of these CAN transceivers with an evaluation module, the [TCAN1042DEVM], which also provides information on CAN bus termination, CAN bus filtering, and protection concepts.

CAN的下一個(gè)前沿領(lǐng)域：安全

用于連接ECU的基于CAN的車載網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單易用。但是，安全性受到損害的單個(gè)ECU可能會(huì)使整個(gè)車輛容易受到黑客攻擊。保護(hù)CAN通信的一個(gè)廣為人知的選項(xiàng)是基于采用加密和復(fù)雜密鑰管理的消息身份驗(yàn)證代碼（MAC）機(jī)制。但是，CAN報(bào)文加密會(huì)增加CAN總線負(fù)載、報(bào)文延遲和功耗。由于當(dāng)前安裝的CAN控制器缺乏計(jì)算能力，升級(jí)車載網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)安全CAN通信也存在困難。

最新的CAN收發(fā)器具有更簡(jiǎn)單的機(jī)制，可規(guī)避帶寬開銷、延遲和處理負(fù)載。這些安全CAN收發(fā)器可以過濾消息ID，因此，如果受損ECU嘗試發(fā)送最初未分配給它的ID的消息，則收發(fā)器可以拒絕將其傳輸?shù)紺AN總線（圖4）。除了防止欺騙企圖外，CAN收發(fā)器還可以通過使來自受感染ECU的消息無效來防止篡改和泛洪攻擊。

[較新的收發(fā)器過濾消息 ID 的圖示]

圖 4：為了在保護(hù) CAN 網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)降低延遲和帶寬要求，更新的收發(fā)器正在過濾消息 ID。 （圖片來源：恩智浦半導(dǎo)體）

這些CAN收發(fā)器無需使用加密技術(shù)即可提供針對(duì)泛洪、欺騙和篡改的安全性。如果消息在總線上失效并帶有活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，他們可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)事件。接下來，安全CAN收發(fā)器暫時(shí)斷開本地主機(jī)與CAN總線的連接。

但是，如果未檢測(cè)到安全威脅，CAN收發(fā)器的作用類似于標(biāo)準(zhǔn)高速CAN收發(fā)器。換句話說，這些安全CAN收發(fā)器可以直接替代類似封裝中的標(biāo)準(zhǔn)CAN收發(fā)器。

像恩智浦這樣的供應(yīng)商正在做的是完全在硬件中實(shí)現(xiàn)安全功能，允許CAN收發(fā)器安全操作獨(dú)立于CAN控制器執(zhí)行。這反過來又避免了對(duì)ECU進(jìn)行軟件更改的需要以及ECU操作中斷的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

此外，安全CAN收發(fā)器保留日志，用于報(bào)告總線上的安全事件。這些CAN收發(fā)器還可以保護(hù)自己的配置更新，因此可以充當(dāng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)論

CAN總線始于1983年，但正如本文所示，它已經(jīng)很好地適應(yīng)了汽車電子設(shè)計(jì)師的通信要求。首先，CAN收發(fā)器正在經(jīng)歷向更高速CAN FD網(wǎng)絡(luò)的過渡。其次，CAN收發(fā)器通過消除共模扼流圈和TVS二極管等外部元件，提高了可靠性，同時(shí)降低了BOM成本和設(shè)計(jì)尺寸。最后，CAN收發(fā)器通過將安全功能嵌入收發(fā)器硬件，在保護(hù)CAN總線方面發(fā)揮著作用。后者不僅確保了CAN總線，而且確保了聯(lián)網(wǎng)汽車的未來。