【導(dǎo)讀】CAN總線(Controller Area Network)是上世紀(jì)80年代開發(fā)的一種串行通訊總線。由于其高性能、易用性及高可靠性而被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)控制等行業(yè)。但隨著汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展，總線上的設(shè)備數(shù)量、通訊數(shù)據(jù)量都大大增加，使得傳統(tǒng)HS-CAN (High Speed CAN)的500kbps(最高1Mbps)傳輸速率受到了極大的挑戰(zhàn)。
為滿足更高的帶寬及數(shù)據(jù)吞吐量，CANFD (CAN Flexible Data-rate)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要介紹了隨著CAN總線通訊速率提升而帶來的一些新的挑戰(zhàn)，以及英飛凌所提供的低成本針對(duì)性解決方案。
英飛凌技術(shù)專家 James Liu
CAN總線發(fā)展歷程
1. HS-CAN
在上世紀(jì)80年代，隨著汽車電氣化進(jìn)程，車內(nèi)ECU (Electric Control Unit) 數(shù)量越來越多，使得各模塊之間通訊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，線束重量及成本也越來越高。在此需求下，CAN總線被開發(fā)出來取代昂貴而笨重的通訊線束。它使用兩條雙絞線來傳輸信號(hào)，可以1Mbps的速率在40米的距離上傳輸信號(hào)。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范(Version 2.0)制定并發(fā)布。1993年ISO組織正式公布CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，除了CAN協(xié)議外，它還標(biāo)準(zhǔn)化了物理層定義。
2. CANFD
隨著實(shí)際應(yīng)用中HS-CAN總線負(fù)載率越來越高，有些車廠甚至總線負(fù)載率高達(dá)95%，更高速率的CANFD應(yīng)運(yùn)而生。CANFD繼承了CAN的絕大多數(shù)特性，如同樣的物理層，仲裁機(jī)制等。并且CANFD能向下兼容HS-CAN。對(duì)比傳統(tǒng)的HS-CAN總線，CANFD有兩方面的升級(jí)：
● 支持可變通訊速率 – 最大5Mbps ~ 8Mbps
● 支持更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 – 最長(zhǎng)64 byte數(shù)據(jù)
● 2015年ISO組織已經(jīng)正式認(rèn)可CANFD，并通過了更新的ISO11898-1標(biāo)準(zhǔn)。
3. CANXL
展望未來，關(guān)于下一代CAN是什么樣子的討論也在激烈進(jìn)行中。在2020年第17屆國(guó)際CAN大會(huì)上CiA協(xié)會(huì)(CAN in Automation)介紹了第三代CAN通信技術(shù)CAN XL (CAN Extra Long)。其數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度提升至最高2048 byte，速率進(jìn)一步提升至10Mbps甚至20Mbps。關(guān)于CANXL物理層的定義還在進(jìn)行中，英飛凌為此已開發(fā)完成相應(yīng)IP及內(nèi)部測(cè)試用芯片，為將來推出適合市場(chǎng)需求的CANXL收發(fā)器做好準(zhǔn)備。
信號(hào)的反射與干擾 — 振鈴
信號(hào)振鈴現(xiàn)象在CAN通訊中是普遍存在的，尤其在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中當(dāng)總線電平由顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)時(shí)更容易產(chǎn)生。
更高的通訊速率意味著更窄的位寬時(shí)間，當(dāng)前CANFD的2Mbps相比以前HS-CAN的500kbps位寬時(shí)間由2000ns縮短為500ns。同樣強(qiáng)度的振鈴干擾，在更高的通訊速率下，由于得不到足夠的時(shí)間衰減到隱性差分電壓判定閾值以下，從而更容易導(dǎo)致通訊錯(cuò)誤。如圖顯示是同一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同一節(jié)點(diǎn)，分別發(fā)送500kbps和2Mbps的CAN信號(hào)時(shí)的波形對(duì)比。
為了減少振鈴效應(yīng)，目前的主流做法是縮小CAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，減少節(jié)點(diǎn)數(shù)，縮短支線長(zhǎng)度，盡量使用線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(linear topology)等。這些措施確實(shí)能有效減小振鈴強(qiáng)度，但是也帶來了一些缺點(diǎn)：
● 增加了CAN總線數(shù)量，例如將一條10個(gè)節(jié)點(diǎn)的總線拆分成兩條5個(gè)節(jié)點(diǎn)的總線；
● 增加了網(wǎng)關(guān)(gateway)的需求，以應(yīng)對(duì)更多不同總線之間的信息交互；
● 縮短支線長(zhǎng)度，變更拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等措施，與整車模塊布局相沖突。
振鈴抑制—CANSIC信號(hào)改善收發(fā)器
為應(yīng)對(duì)以上困難和挑戰(zhàn)，英飛凌推出了CANSIC (CAN Signal Improvement Capability)信號(hào)改善收發(fā)器—TLE9371SJ & TLE9371VSJ。該收發(fā)器能從發(fā)送端有效控制振鈴強(qiáng)度，減少信號(hào)振鈴效應(yīng)，提升總線信號(hào)質(zhì)量。當(dāng)總線需要從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)時(shí)，TLE9371首先會(huì)控制總線電平的切換斜率，這一功能在改善EMC表現(xiàn)的同時(shí)也適當(dāng)降低了振鈴強(qiáng)度。在此之后的300ns內(nèi)TLE9371將總線控制在低阻抗?fàn)顟B(tài)，從而徹底吸收振鈴能量。
TLE9371與現(xiàn)有的DSO8封裝CAN/CANFD收發(fā)器可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)pin to pin兼容，使得客戶即使在研發(fā)中后期才發(fā)現(xiàn)振鈴問題點(diǎn)，也能比較輕松的升級(jí)收發(fā)器解決振鈴問題。如圖顯示是同一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同一節(jié)點(diǎn)，分別使用普通CANFD收發(fā)器和CANSIC收發(fā)器發(fā)送2Mbps的CAN信號(hào)時(shí)的波形對(duì)比。
結(jié)語(yǔ)
作為業(yè)內(nèi)主要的車載網(wǎng)絡(luò)方案供應(yīng)商，英飛凌有完整的CAN收發(fā)器產(chǎn)品家族：
● 通訊速率從1Mbps至5Mbps，隨著TLE9371的問世進(jìn)一步提升至8Mbps
● 工作模式涵蓋：普通(basic CAN), 待機(jī)(Standby CAN)，睡眠(Sleep CAN)，局部網(wǎng)絡(luò)(PN CAN)
● 產(chǎn)品封裝：8 pin, 14 pin, DSO封裝，TSON封裝
● 溫度等級(jí)：grade-1 (-40~125℃)，grade-0 (-40~150℃)
CANSIC信號(hào)改善收發(fā)器TLE9371，補(bǔ)足了產(chǎn)品家族中高帶寬及振鈴抑制這一部分，能有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，簡(jiǎn)化大型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)難度。該技術(shù)從物理層保證CANFD協(xié)議得到有效可靠的傳輸，并且沒有副作用，為5Mbps及8Mbps的CANFD應(yīng)用鋪平道路。
英飛凌的TLE9371系列CANSIC收發(fā)器已于2023上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
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