【導讀】CAN總線(xiàn)(Controller Area Network)是上世紀80年代開(kāi)發(fā)的一種串行通訊總線(xiàn)。由于其高性能、易用性及高可靠性而被廣泛應用于汽車(chē)、工業(yè)控制等行業(yè)。但隨著(zhù)汽車(chē)電子、工業(yè)自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展，總線(xiàn)上的設備數量、通訊數據量都大大增加，使得傳統HS-CAN (High Speed CAN)的500kbps(最高1Mbps)傳輸速率受到了極大的挑戰。
為滿(mǎn)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(zhù)CAN總線(xiàn)通訊速率提升而帶來(lái)的一些新的挑戰，以及英飛凌所提供的低成本針對性解決方案。
英飛凌技術(shù)專(zhuān)家 James Liu
CAN總線(xiàn)發(fā)展歷程
1. HS-CAN
在上世紀80年代，隨著(zhù)汽車(chē)電氣化進(jìn)程，車(chē)內ECU (Electric Control Unit) 數量越來(lái)越多，使得各模塊之間通訊的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構越來(lái)越復雜，線(xiàn)束重量及成本也越來(lái)越高。在此需求下，CAN總線(xiàn)被開(kāi)發(fā)出來(lái)取代昂貴而笨重的通訊線(xiàn)束。它使用兩條雙絞線(xiàn)來(lái)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(xiàn)技術(shù)規范(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(zhù)實(shí)際應用中HS-CAN總線(xiàn)負載率越來(lái)越高，有些車(chē)廠(chǎng)甚至總線(xiàn)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。對比傳統的HS-CAN總線(xiàn)，CANFD有兩方面的升級：
● 支持可變通訊速率 – 最大5Mbps ~ 8Mbps
● 支持更長(cháng)的數據長(cháng)度 – 最長(cháng)64 byte數據
● 2015年ISO組織已經(jīng)正式認可CANFD，并通過(guò)了更新的ISO11898-1標準。
3. CANXL
展望未來(lái)，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)。其數據場(chǎng)長(cháng)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(kāi)發(fā)完成相應IP及內部測試用芯片，為將來(lái)推出適合市場(chǎng)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(xiàn)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(zhù)更窄的位寬時(shí)間，當前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，從而更容易導致通訊錯誤。如圖顯示是同一網(wǎng)絡(luò )拓撲結構同一節點(diǎn)，分別發(fā)送500kbps和2Mbps的CAN信號時(shí)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(wǎng)絡(luò )規模，減少節點(diǎn)數，縮短支線(xiàn)長(cháng)度，盡量使用線(xiàn)性拓撲結構(linear topology)等。這些措施確實(shí)能有效減小振鈴強度，但是也帶來(lái)了一些缺點(diǎn)：
● 增加了CAN總線(xiàn)數量，例如將一條10個(gè)節點(diǎn)的總線(xiàn)拆分成兩條5個(gè)節點(diǎn)的總線(xiàn)；
● 增加了網(wǎng)關(guān)(gateway)的需求，以應對更多不同總線(xiàn)之間的信息交互；
● 縮短支線(xiàn)長(cháng)度，變更拓撲結構等措施，與整車(chē)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，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(xiàn)信號質(zhì)量。當總線(xiàn)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(xiàn)電平的切換斜率，這一功能在改善EMC表現的同時(shí)也適當降低了振鈴強度。在此之后的300ns內TLE9371將總線(xiàn)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(jiǎn)單實(shí)現pin to pin兼容，使得客戶(hù)即使在研發(fā)中后期才發(fā)現振鈴問(wèn)題點(diǎn)，也能比較輕松的升級收發(fā)器解決振鈴問(wèn)題。如圖顯示是同一網(wǎng)絡(luò )拓撲結構同一節點(diǎn)，分別使用普通CANFD收發(fā)器和CANSIC收發(fā)器發(fā)送2Mbps的CAN信號時(shí)的波形對比。
結語(yǔ)
作為業(yè)內主要的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )方案供應商，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(zhù)TLE9371的問(wèn)世進(jìn)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(wǎng)絡(luò )(PN CAN)
● 產(chǎn)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(chǎn)品家族中高帶寬及振鈴抑制這一部分，能有效降低系統設計成本，簡(jiǎn)化大型網(wǎng)絡(luò )的設計難度。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(méi)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(shí)現量產(chǎn)。
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