【導讀】CAN總線(Controller Area Network)是上世紀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)自動化的蓬勃發(fā)展，總線上的設備數量、通訊數據量都大大增加，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據吞吐量，CANFD (CAN Flexible Data-rate)應運而生。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性解決方案。
英飛凌技術專家 James Liu
CAN總線發(fā)展歷程
1. HS-CAN
在上世紀80年代，隨著汽車電氣化進程，車內ECU (Electric Control Unit) 數量越來越多，使得各模塊之間通訊的網絡拓撲結構越來越復雜，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，可以1Mbps的速率在40米的距離上傳輸信號。1991年CAN總線技術規(guī)范(Version 2.0)制定并發(fā)布。1993年ISO組織正式公布CAN國際標準ISO11898，除了CAN協(xié)議外，它還標準化了物理層定義。
2. CANFD
隨著實際應用中HS-CAN總線負載率越來越高，有些車廠甚至總線負載率高達95%，更高速率的CANFD應運而生。CANFD繼承了CAN的絕大多數特性，如同樣的物理層，仲裁機制等。并且CANFD能向下兼容HS-CAN。對比傳統(tǒng)的HS-CAN總線，CANFD有兩方面的升級：
● 支持可變通訊速率 – 最大5Mbps ~ 8Mbps
● 支持更長的數據長度 – 最長64 byte數據
● 2015年ISO組織已經正式認可CANFD，并通過了更新的ISO11898-1標準。
3. CANXL
展望未來，關于下一代CAN是什么樣子的討論也在激烈進行中。在2020年第17屆國際CAN大會上CiA協(xié)會(CAN in Automation)介紹了第三代CAN通信技術CAN XL (CAN Extra Long)。其數據場長度提升至最高2048 byte，速率進一步提升至10Mbps甚至20Mbps。關于CANXL物理層的定義還在進行中，英飛凌為此已開發(fā)完成相應IP及內部測試用芯片，為將來推出適合市場需求的CANXL收發(fā)器做好準備。
信號的反射與干擾 — 振鈴
信號振鈴現象在CAN通訊中是普遍存在的，尤其在星型拓撲結構中當總線電平由顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)時更容易產生。
更高的通訊速率意味著更窄的位寬時間，當前CANFD的2Mbps相比以前HS-CAN的500kbps位寬時間由2000ns縮短為500ns。同樣強度的振鈴干擾，在更高的通訊速率下，由于得不到足夠的時間衰減到隱性差分電壓判定閾值以下，從而更容易導致通訊錯誤。如圖顯示是同一網絡拓撲結構同一節(jié)點，分別發(fā)送500kbps和2Mbps的CAN信號時的波形對比。
為了減少振鈴效應，目前的主流做法是縮小CAN網絡規(guī)模，減少節(jié)點數，縮短支線長度，盡量使用線性拓撲結構(linear topology)等。這些措施確實能有效減小振鈴強度，但是也帶來了一些缺點：
● 增加了CAN總線數量，例如將一條10個節(jié)點的總線拆分成兩條5個節(jié)點的總線；
● 增加了網關(gateway)的需求，以應對更多不同總線之間的信息交互；
● 縮短支線長度，變更拓撲結構等措施，與整車模塊布局相沖突。
振鈴抑制—CANSIC信號改善收發(fā)器
為應對以上困難和挑戰(zhàn)，英飛凌推出了CANSIC (CAN Signal Improvement Capability)信號改善收發(fā)器—TLE9371SJ & TLE9371VSJ。該收發(fā)器能從發(fā)送端有效控制振鈴強度，減少信號振鈴效應，提升總線信號質量。當總線需要從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)時，TLE9371首先會控制總線電平的切換斜率，這一功能在改善EMC表現的同時也適當降低了振鈴強度。在此之后的300ns內TLE9371將總線控制在低阻抗狀態(tài)，從而徹底吸收振鈴能量。
TLE9371與現有的DSO8封裝CAN/CANFD收發(fā)器可簡單實現pin to pin兼容，使得客戶即使在研發(fā)中后期才發(fā)現振鈴問題點，也能比較輕松的升級收發(fā)器解決振鈴問題。如圖顯示是同一網絡拓撲結構同一節(jié)點，分別使用普通CANFD收發(fā)器和CANSIC收發(fā)器發(fā)送2Mbps的CAN信號時的波形對比。
結語
作為業(yè)內主要的車載網絡方案供應商，英飛凌有完整的CAN收發(fā)器產品家族：
● 通訊速率從1Mbps至5Mbps，隨著TLE9371的問世進一步提升至8Mbps
● 工作模式涵蓋：普通(basic CAN), 待機(Standby CAN)，睡眠(Sleep CAN)，局部網絡(PN CAN)
● 產品封裝：8 pin, 14 pin, DSO封裝，TSON封裝
● 溫度等級：grade-1 (-40~125℃)，grade-0 (-40~150℃)
CANSIC信號改善收發(fā)器TLE9371，補足了產品家族中高帶寬及振鈴抑制這一部分，能有效降低系統(tǒng)設計成本，簡化大型網絡的設計難度。該技術從物理層保證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應用鋪平道路。
英飛凌的TLE9371系列CANSIC收發(fā)器已于2023上半年實現量產。
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