多年來，設(shè)計(jì)人員一直依賴控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 來實(shí)現(xiàn)汽車各子系統(tǒng)和電子控制單元 (ECU) 之間的可靠通信。不過，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)安全性的需求也隨之攀升，而所有這些都要受到更為嚴(yán)格的尺寸、重量和成本限制。盡管如此，許多設(shè)計(jì)人員仍然不愿更改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，不過由于業(yè)內(nèi)逐步穩(wěn)定改進(jìn) CAN 規(guī)格和相關(guān) IC 解決方案，設(shè)計(jì)人員也就不必更改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淞恕?/p>
轉(zhuǎn)至另一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒎且资?，因?yàn)檫@樣不但會(huì)讓先前的投資打水漂，而且還有可能因設(shè)計(jì)人員要進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)延遲。但是 CAN 規(guī)格增強(qiáng)可避免這種情況，例如通過 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 (FD) 獲得更高的吞吐量，使用局部網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來處理泄漏和干擾，使用更嚴(yán)格的時(shí)序余裕來確保較高數(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)商現(xiàn)使用集成度更高的解決方案來響應(yīng)設(shè)計(jì)要求，其中集成了 CAN 增強(qiáng)功能，從而可以更好地服務(wù)于高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS)、傳動(dòng)系統(tǒng)和信息娛樂等新興應(yīng)用。
本文簡(jiǎn)要論述了 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）的轉(zhuǎn)換。文中還將介紹合適的 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、更高的可靠性和更強(qiáng)的安全性。
CAN 靈活數(shù)據(jù)速率
如今，車輛板載電子設(shè)備日益增多，設(shè)計(jì)人員需要更高的性能，不過他們的解決方案并非是轉(zhuǎn)至完全不同的網(wǎng)絡(luò)，而是利用 CAN 增強(qiáng)功能，首先便是 CAN FD。這樣可提供高達(dá) 5 Mb/s 的速率，而 ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)中定義的原始 CAN 規(guī)格為 1 Mb/s（最大值）。該數(shù)據(jù)速率限制迫使汽車設(shè)計(jì)人員要在車內(nèi)添加更多 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和連接，如此一來，便不可避免地會(huì)增加布線、功率損耗和重量。
CAN FD 標(biāo)準(zhǔn)解決了帶寬難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了額定條件下 2 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率，以及編程模式下 5 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。此主要 CAN 增強(qiáng)功能修改了幀率，可將數(shù)據(jù)字段從 8 字節(jié)增加到 64 字節(jié)，從而更有效地支持?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)將有效載荷中的最大數(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：Microchip Technology）
從經(jīng)典 CAN 轉(zhuǎn)換到 CAN FD
隨著增添了攝像頭和傳感器（包括用于高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS) 的產(chǎn)品），通過車載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量開始不斷增加。雖然速度更快的 CAN FD 網(wǎng)絡(luò)可提供些許助力，但開發(fā)它們時(shí)需要更高的精度。例如，在更高的數(shù)據(jù)速率下，用于穩(wěn)定位值的可用余裕會(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。
當(dāng)然，還會(huì)出現(xiàn)一些其他問題，例如 CAN 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸可能產(chǎn)生干擾漏電電流。此外，如果 CAN FD 系統(tǒng)搭配傳統(tǒng) CAN 實(shí)施，則將會(huì)面臨一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，即如何確保不因混合網(wǎng)絡(luò)布局而發(fā)生錯(cuò)誤。
為幫助解決其中一些問題，Microchip Technology 推出了 MCP2561/2FD 高速 CAN 收發(fā)器。該器件可提供與其前代產(chǎn)品 MCP2561/2 相同的核心功能，并增加了已獲保證的環(huán)路延遲對(duì)稱，因此可支持 CAN FD 所需的更高數(shù)據(jù)速率（圖 2）。如此一來，就可進(jìn)一步減小最大傳播延遲，從而支持更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接和 CAN 總線上的更多節(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)器可確保環(huán)路對(duì)稱，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接和 CAN 總線上的更多節(jié)點(diǎn)。（圖片來源：Microchip Technology）
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)的局部網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。局部網(wǎng)絡(luò)可支持選擇性喚醒功能和自動(dòng)總線偏置，從而確保實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng) CAN 到高速 CAN FD 系統(tǒng)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。
例如，NXP Semiconductors 的 TJA1145 高速 CAN 收發(fā)器可支持高達(dá) 2 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率，并通過名為 FD Passive 的選擇性喚醒功能集成局部網(wǎng)絡(luò)。該器件能讓無需傳遞 CAN FD 消息的常規(guī) CAN 控制器在 CAN FD 通信期間保持休眠/待機(jī)模式，而不會(huì)產(chǎn)生總線錯(cuò)誤。
最終，所有 CAN 控制器都必須符合高速 CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)，將所有 CAN 總線節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為 FD Active 節(jié)點(diǎn)。但在此之前，局部網(wǎng)絡(luò)將彌補(bǔ)傳統(tǒng) CAN 和 CAN FD 之間的差距。
NXP 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 信息。與局部網(wǎng)絡(luò)一樣，采用 FD Shield 功能的 CAN 收發(fā)器可直接替代現(xiàn)有的收發(fā)器，因此無需更改軟件。NXP 已采用汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) (AUTOSAR) 完成對(duì)其 FD Shield 技術(shù)的評(píng)估，并正在向主要汽車 OEM 和一級(jí)供應(yīng)商提供樣品。
采用更小型 CAN 收發(fā)器提供總線保護(hù)
除了更快的數(shù)據(jù)速率外，設(shè)計(jì)人員還可以利用高度集成的 CAN 解決方案來降低 BOM 成本及縮減電路板空間。但是，這些器件彼此間的距離以及與其他敏感電子元件的距離非?？拷?，所以必須小心謹(jǐn)慎，確保它們不會(huì)引起干擾或易受干擾。由此看來，電磁干擾 (EMI) 和抗噪性是兩大重要特性。CAN 收發(fā)器通常使用分立濾波器、共模扼流圈和瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 器件來應(yīng)對(duì) ESD 和 EMI 問題。
有關(guān)適用于 CAN 總線的 TVS 重要主題的更多信息，請(qǐng)參閱“設(shè)計(jì)導(dǎo)入 TVS 二極管保護(hù)以增強(qiáng) CAN 總線可靠性”。
不過，汽車設(shè)計(jì)人員也在想方設(shè)法降低 CAN 設(shè)計(jì)的重量和成本。例如，Texas Instruments 的 TCAN1042 和 TCAN1051 收發(fā)器已經(jīng)去掉了扼流圈，這樣既能減少元器件數(shù)量，同時(shí)也能符合嚴(yán)格的抗噪性要求（圖 3）。
圖 3：TCAN1042 CAN 收發(fā)器提供了保護(hù)功能，可增強(qiáng) CAN 穩(wěn)健性，且適用于汽車 HVAC 控制模塊和射頻智能遙控裝置等應(yīng)用。（圖片來源：Texas Instruments）
在 CAN 系統(tǒng)中，防止高總線故障和靜電放電 (ESD) 至關(guān)重要，這些系統(tǒng)現(xiàn)可滿足 12 伏、24 伏和 48 伏車載電池以及 24 伏工業(yè)電源的要求。它可以保護(hù) CAN 總線引腳免受短路至直流電壓的影響，并且能更好地匹配輸出信號(hào)。
TCAN1042 和 TCAN1051 收發(fā)器可提供高達(dá) ±15 千伏 (kV) 的 ESD 保護(hù)，這可能會(huì)避免 TVS 二極管的使用。此外，設(shè)計(jì)人員可以使用評(píng)估模塊 TCAN1042DEVM 快速、輕松地評(píng)估這些 CAN 收發(fā)器的性能，其中該評(píng)估模塊還提供了有關(guān) CAN 總線端接、CAN 總線濾波和保護(hù)概念的信息。
CAN 的下一個(gè)目標(biāo)：安全性
用于鏈接 ECU 的基于 CAN 的車載網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單且易于使用。但是，如果單個(gè) ECU 的安全性受損，可能會(huì)使整個(gè)車輛容易受到入侵。要保護(hù) CAN 通信，一個(gè)廣為人知的方案是依據(jù)信息驗(yàn)證代碼 (MAC) 機(jī)制，其中該機(jī)制采用了加密和復(fù)雜密鑰管理。但是，對(duì) CAN 消息加密會(huì)增加 CAN 總線負(fù)載、消息延遲和功耗。由于當(dāng)前安裝的 CAN 控制器缺乏計(jì)算能力，因此難以升級(jí)車載網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全的 CAN 通信。
最近的 CAN 收發(fā)器機(jī)制就更為簡(jiǎn)單了，其可以避免帶寬開銷、延遲和處理負(fù)載。這些安全的 CAN 收發(fā)器可以過濾消息 ID，因此如果受影響的 ECU 嘗試發(fā)送帶有非原始分配 ID 的消息，則收發(fā)器可以拒絕將其發(fā)送到 CAN 總線（圖 4）。CAN 收發(fā)器除了防止欺騙企圖外，還可以通過使來自受影響 ECU 的消息失效，防止篡改和洪泛攻擊。
圖 4：為了在保護(hù) CAN 網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)減少延遲和帶寬要求，最新的收發(fā)器會(huì)對(duì)消息 ID 進(jìn)行過濾。（圖片來源：NXP Semiconductors）
這些 CAN 收發(fā)器能夠防止洪泛、欺騙和篡改，而不需要使用加密技術(shù)。如果消息在總線上失效且具有活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，則它們可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)事件。接著，安全 CAN 收發(fā)器會(huì)暫時(shí)斷開本地主機(jī)與 CAN 總線的連接。
不過，如果沒有檢測(cè)到安全威脅，CAN 收發(fā)器可以像標(biāo)準(zhǔn)高速 CAN 收發(fā)器那樣工作。換言之，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。
諸如 NXP 這類的供應(yīng)商在此所做的是，完全在硬件中實(shí)現(xiàn)安全功能，允許 CAN 收發(fā)器獨(dú)立于 CAN 控制器執(zhí)行安全性操作。這樣一來，便可避免對(duì) ECU 進(jìn)行軟件更改以及 ECU 操作中斷的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。
此外，安全 CAN 收發(fā)器會(huì)保留一個(gè)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，因此可充當(dāng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)。
總結(jié)
CAN 總線的使用可追溯至 1983 年，但正如本文所示，它可以很好地滿足汽車電子設(shè)計(jì)人員的通信要求。首先，CAN 收發(fā)器正在不斷改造中，以實(shí)現(xiàn)向高速 CAN FD 網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。其次，CAN 收發(fā)器通過消除共模扼流圈和 TVS 二極管等外部元器件，不但提高了可靠性，同時(shí)還降低了 BOM 成本，并縮小了設(shè)計(jì)尺寸。最后，CAN 收發(fā)器能夠起到保護(hù) CAN 總線的作用，它可將安全功能嵌入收發(fā)器硬件中。后者不僅可以保護(hù) CAN 總線，還可以保護(hù)未來互連汽車的安全。
