應用最新的CAN總線增強功能，實現(xiàn)安全可靠的高速汽車通信

多年來，設計人員一直依靠控制器局域網 （CAN） 在汽車的各個子系統(tǒng)和電子控制單元 （ECU） 之間進行可靠的通信。然而，隨著板載網絡節(jié)點數(shù)量的增加，所需的數(shù)據(jù)吞吐量以及對更低延遲和更高級安全性的需求也在增加，所有這些都在嚴格的尺寸、重量和成本限制內完成。盡管如此，許多設計人員還是不愿意改變網絡拓撲結構，而且由于CAN規(guī)范和相關IC解決方案的穩(wěn)步改進，他們不必這樣做。

遷移到另一種網絡拓撲很困難，因為會損失先前的投資，并且隨著設計人員的學習曲線向上移動，可能會出現(xiàn)設計延遲。但是，通過再次查看CAN規(guī)范增強功能可以避免這種情況，例如用于更高吞吐量的CAN靈活數(shù)據(jù)速率（FD），使用部分網絡等技術來處理泄漏和干擾，使用更嚴格的時序裕量來確保更高數(shù)據(jù)速率下的可靠通信，以及增強的安全性。

此外，CAN收發(fā)器供應商本身也通過集成度更高的解決方案來響應設計要求，這些解決方案結合了CAN增強功能，以更好地服務于高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、動力總成和信息娛樂等新興應用。

本文簡要討論了CAN及其增強功能，包括設計人員如何管理向更高級迭代（如CAN FD）的過渡。在此過程中，它將介紹合適的CAN解決方案以及如何使用它們來實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率，更高的可靠性和更高的安全性。

CAN靈活的數(shù)據(jù)速率

隨著車輛現(xiàn)在有更多的電子設備，設計人員需要更高的性能，但與其轉移到完全不同的網絡，不如利用CAN增強功能，從CAN FD開始。這提供了高達5 Mbits/s的速率，而ISO 1標準中定義的原始CAN規(guī)范的速率為11898 Mbit/s（最大值）。這種數(shù)據(jù)速率限制迫使汽車設計人員在車內添加更多的CAN網絡設備和連接，不可避免地導致更多的布線、功率損耗和重量。

CAN FD標準解決了帶寬難題，同時在標稱條件下將數(shù)據(jù)速率提高到2 Mbits/s，在編程模式下將數(shù)據(jù)速率提高到5 Mbits/s。這一主要的 CAN 增強功能改進了幀速率，將數(shù)據(jù)字段從 8 字節(jié)增加到 64 字節(jié)，以便更有效地支持數(shù)據(jù)密集型應用（圖 1）。

圖 1：2012 年更新的 CAN FD 標準將有效負載中的最大數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)從 8 字節(jié)擴展到 64 字節(jié)。（圖片來源：微芯科技）

從經典CAN過渡到CAN FD

隨著攝像頭和傳感器（包括高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS））的增加，通過車載網絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不斷增加。雖然更高速的CAN FD網絡可以提供幫助，但它們在開發(fā)過程中確實需要更高的精度。例如，在更高的數(shù)據(jù)速度下，穩(wěn)定位值的可用裕量會迅速縮小，從而增加了出錯的可能性并破壞了CAN的固有可靠性。

CAN網絡內的高速數(shù)據(jù)傳輸還可能產生干擾漏電流等問題。此外，在實施經典CAN的同時實施CAN FD系統(tǒng)在確保不會因混合網絡安排而引入錯誤方面提出了重大挑戰(zhàn)。

為了幫助解決其中一些問題，[Microchip Technology]推出了[MCP2561/2FD]高速CAN收發(fā)器。該器件提供與其前代產品 [MCP2561/2] 相同的內核特性，但增加了有保證的環(huán)路延遲對稱性，以支持 CAN FD 所需的更高數(shù)據(jù)速率（圖 2）。這反過來又減少了最大傳播延遲，以便在CAN總線上支持更長的網絡連接和更多的節(jié)點。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)器具有保證的環(huán)路對稱性，可在 CAN 總線上實現(xiàn)更長的網絡連接和更多節(jié)點。（圖片來源：微芯科技）

Microchip和其他CAN收發(fā)器供應商也在實施符合ISO 11898-2：2016標準的部分網絡機制。部分聯(lián)網通過支持選擇性喚醒功能和自主總線偏置，確保從經典CAN系統(tǒng)平穩(wěn)過渡到更高速的CAN FD系統(tǒng)。

例如，[恩智浦半導體的][TJA1145]高速CAN收發(fā)器支持高達2 Mbits/s的數(shù)據(jù)速率，并通過稱為FD Passive的選擇性喚醒功能集成部分網絡。它允許不需要通信CAN FD消息的常規(guī)CAN控制器在CAN FD通信期間保持睡眠/待機模式，而不會產生總線錯誤。

最終，所有CAN控制器都將被要求符合高速CAN總線標準，將所有CAN總線節(jié)點轉換為FD有源節(jié)點。但在此之前，部分網絡將彌合經典CAN和CAN FD世界之間的差距。

恩智浦還提供CAN FD Shield技術，該技術使用高精度振蕩器動態(tài)過濾CAN FD報文。與部分聯(lián)網一樣，采用FD Shield功能的CAN收發(fā)器可直接替代現(xiàn)有收發(fā)器，因此不需要更改軟件。恩智浦已經完成了對采用汽車開放系統(tǒng)架構（AUTOSAR）的FD Shield技術的評估，并將樣品提供給主要的汽車OEM和一級供應商。

使用較小的CAN收發(fā)器提供總線保護

Along with faster data rates, designers can take advantage of highly integrated CAN solutions that reduce the BOM cost and board space. However, the devices are often near each other as well as other sensitive electronics, so care must be taken that they don’t cause interference, or become susceptible to interference, so electromagnetic interference (EMI) and noise immunity are important characteristics. Often CAN transceivers use discrete filters, common-mode chokes and transient voltage suppression (TVS) devices to counter the ESD and EMI-centric problems.

For more on the important topic of TVS for CAN bus, see “Design-In TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability.”

However, automotive designers are increasingly looking for ways to reduce weight and cost in CAN-based designs. For example, the [TCAN1042]and [TCAN1051] transceivers from [Texas Instruments] have removed the choke to reduce the component count while still complying with strict noise immunity requirements (Figure 3).

Figure 3: The TCAN1042 CAN transceiver provides protection features to enhance CAN robustness and is used in applications such as automotive HVAC control modules and RF smart remote controls. (Image source: Texas Instruments)

The protection against high bus fault and electrostatic discharge (ESD) is crucial in CAN systems which are now catering to 12 volt, 24 volt, and 48 volt battery requirements in vehicles, as well as 24 volt industrial power supplies. It guards CAN bus pins against short-to-DC voltages with better matching of the output signals.

The TCAN1042 and TCAN1051 transceivers provide ESD protection of up to ±15 kilovolts (kV), which potentially eliminates the need for external TVS diodes. Also, designers can quickly and easily evaluate the performance of these CAN transceivers with an evaluation module, the [TCAN1042DEVM], which also provides information on CAN bus termination, CAN bus filtering, and protection concepts.

CAN的下一個前沿領域：安全

用于連接ECU的基于CAN的車載網絡相對簡單易用。但是，安全性受到損害的單個ECU可能會使整個車輛容易受到黑客攻擊。保護CAN通信的一個廣為人知的選項是基于采用加密和復雜密鑰管理的消息身份驗證代碼（MAC）機制。但是，CAN報文加密會增加CAN總線負載、報文延遲和功耗。由于當前安裝的CAN控制器缺乏計算能力，升級車載網絡以實現(xiàn)安全CAN通信也存在困難。

最新的CAN收發(fā)器具有更簡單的機制，可規(guī)避帶寬開銷、延遲和處理負載。這些安全CAN收發(fā)器可以過濾消息ID，因此，如果受損ECU嘗試發(fā)送最初未分配給它的ID的消息，則收發(fā)器可以拒絕將其傳輸?shù)紺AN總線（圖4）。除了防止欺騙企圖外，CAN收發(fā)器還可以通過使來自受感染ECU的消息無效來防止篡改和泛洪攻擊。

[較新的收發(fā)器過濾消息 ID 的圖示]

圖 4：為了在保護 CAN 網絡的同時降低延遲和帶寬要求，更新的收發(fā)器正在過濾消息 ID。 （圖片來源：恩智浦半導體）

這些CAN收發(fā)器無需使用加密技術即可提供針對泛洪、欺騙和篡改的安全性。如果消息在總線上失效并帶有活動錯誤標志，他們可以檢測到網絡事件。接下來，安全CAN收發(fā)器暫時斷開本地主機與CAN總線的連接。

但是，如果未檢測到安全威脅，CAN收發(fā)器的作用類似于標準高速CAN收發(fā)器。換句話說，這些安全CAN收發(fā)器可以直接替代類似封裝中的標準CAN收發(fā)器。

像恩智浦這樣的供應商正在做的是完全在硬件中實現(xiàn)安全功能，允許CAN收發(fā)器安全操作獨立于CAN控制器執(zhí)行。這反過來又避免了對ECU進行軟件更改的需要以及ECU操作中斷的相關風險。

此外，安全CAN收發(fā)器保留日志，用于報告總線上的安全事件。這些CAN收發(fā)器還可以保護自己的配置更新，因此可以充當入侵檢測系統(tǒng)。

結論

CAN總線始于1983年，但正如本文所示，它已經很好地適應了汽車電子設計師的通信要求。首先，CAN收發(fā)器正在經歷向更高速CAN FD網絡的過渡。其次，CAN收發(fā)器通過消除共模扼流圈和TVS二極管等外部元件，提高了可靠性，同時降低了BOM成本和設計尺寸。最后，CAN收發(fā)器通過將安全功能嵌入收發(fā)器硬件，在保護CAN總線方面發(fā)揮著作用。后者不僅確保了CAN總線，而且確保了聯(lián)網汽車的未來。