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從CAN的發(fā)展史,聊聊如何選擇車(chē)載網(wǎng)絡(luò)方案

發(fā)布時(shí)間:2023-09-28 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】CAN總線(Controller Area Network)是上世紀(jì)80年代開(kāi)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(chē)、工業(yè)控制等行業(yè)。但隨著汽車(chē)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(lái)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(zhuān)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(chē)電氣化進(jìn)程,車(chē)內(nèi)ECU (Electric Control Unit) 數(shù)量越來(lái)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(lái)越復(fù)雜,線束重量及成本也越來(lái)越高。在此需求下,CAN總線被開(kāi)發(fā)出來(lái)取代昂貴而笨重的通訊線束。它使用兩條雙絞線來(lái)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(lái)越高,有些車(chē)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(guò)了更新的ISO11898-1標(biāo)準(zhǔn)。


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(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(kāi)發(fā)完成相應(yīng)IP及內(nèi)部測(cè)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(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。


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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(lái)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(chē)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。


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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(wèn)題點(diǎn),也能比較輕松的升級(jí)收發(fā)器解決振鈴問(wèn)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。


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結(jié)語(yǔ)


作為業(yè)內(nèi)主要的車(chē)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(wèn)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℃)


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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(méi)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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