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#CAN XL #數(shù)模信號轉(zhuǎn)換 #CAN通信

導(dǎo)讀

汽車電子和工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)?a href="http://wenjunhu.com/tongxin/" target="_blank">通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和可靠性要求日益提高。CAN通信已經(jīng)從最初的1Mbit/s速率發(fā)展到如今CAN XL數(shù)據(jù)幀在FAST模式下可達(dá)20Mbit/s的高速傳輸。本文將詳細(xì)介紹CAN XL網(wǎng)絡(luò)中的物理層革新與優(yōu)勢，包括CAN技術(shù)的演進(jìn)、物理層的關(guān)鍵技術(shù)、FAST模式下的阻抗特性以及CAN XL網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證等方面。

01****CAN總線技術(shù)的演進(jìn)與物理層革新

在CAN總線技術(shù)發(fā)展之初，1Mbit/s是最高比特率。如今，當(dāng)使用CAN SIC XL收發(fā)器并啟用FAST模式時(shí)， 在CAN XL數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)階段，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)20Mbit/s的速度 。通過一個使用CAN XL協(xié)議控制器和CAN SIC XL收發(fā)器的CAN節(jié)點(diǎn)，可以憑借不同配置實(shí)現(xiàn)CAN CC、CAN FD和CAN XL通信，而無需硬件修改，僅需不同的協(xié)議控制器配置。

CAN通信的一個重要優(yōu)勢是其物理層支持多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)可同時(shí)接收CAN幀，無需交換機(jī)，且節(jié)點(diǎn)間無傳播延遲。為了組織這種通信，特別是在開始時(shí)，需要一個仲裁階段。 在仲裁階段，所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸邏輯“1”或邏輯“0”。 為了在不損壞節(jié)點(diǎn)或不在網(wǎng)絡(luò)上傳輸未定義的信號電平的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，只有“0”作為顯性信號在網(wǎng)絡(luò)上被主動傳輸，而“1”由終端電阻被動產(chǎn)生，被稱為隱性電平。

圖1 CAN FD收發(fā)器阻抗（來源：英飛凌）

圖1中展示了收發(fā)器的輸出行為。收發(fā)器在高阻抗（以允許網(wǎng)絡(luò)上的隱性電平）和低阻抗（以產(chǎn)生顯性電平）之間切換。隱性到顯性的轉(zhuǎn)換由收發(fā)器控制，而在顯性到隱性的轉(zhuǎn)換期間，最大可能的轉(zhuǎn)換速率僅由收發(fā)器限制。這種轉(zhuǎn)換主要由線束和終端電阻控制。在傳輸顯性和隱性信號期間，收發(fā)器輸出阻抗的不斷變化會在網(wǎng)絡(luò)上引起振鈴。這種振鈴限制了CAN網(wǎng)絡(luò)中的最大可能比特率。

02****物理層的關(guān)鍵技術(shù)與FAST模式阻抗特性

為了實(shí)現(xiàn)更高的比特率，CAN XL技術(shù)對收發(fā)器概念進(jìn)行了重要修改。圖2中展示了SIC收發(fā)器輸出阻抗的行為，顯性到隱性階段也由收發(fā)器控制。輸出阻抗現(xiàn)在從顯性階段的低阻抗變?yōu)?00歐姆的中阻抗，持續(xù)時(shí)間最多為500納秒。這個階段稱為有源隱性階段。在有源隱性階段之后，收發(fā)器輸出阻抗從中阻抗變?yōu)楦咦杩梗栽试S網(wǎng)絡(luò)上的碰撞。這個階段稱為無源隱性階段。在SIC階段選擇100歐姆的阻抗是為了使收發(fā)器阻抗與典型的CAN雙絞線阻抗（100歐姆）相匹配。

圖2 CAN SIC收發(fā)器輸出阻抗特性（來源：英飛凌）

這種修改提高了現(xiàn)有CAN FD網(wǎng)絡(luò)的可靠性，使其比特率高達(dá)8Mbit/s。為了使CAN XL實(shí)現(xiàn)超過8Mbit/s的比特率，需要一個新的收發(fā)器概念。 在仲裁階段，采用CAN SIC 收發(fā)器概念，即 SIC 模式；在數(shù)據(jù)階段，選用推挽收發(fā)器概念，此模式稱為 FAST 模式，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20Mbit/s 的比特率。 在CAN XL協(xié)議的ADS（仲裁到數(shù)據(jù)序列）階段，收發(fā)器從SIC模式切換到FAST模式。模式切換由CAN XL協(xié)議控制器通過TxD引腳控制。在FAST模式下的阻抗與有源隱性SIC模式下的阻抗相同，均為100歐姆。但是由于交替波形，傳輸比特的對稱性比SIC模式更好，允許比特率高達(dá)20Mbit/s。

圖3 從SIC到FAST模式轉(zhuǎn)換期間發(fā)射器的阻抗特性（來源：英飛凌）

圖3展示了 SIC XL發(fā)射器在SIC模式到FAST模式轉(zhuǎn)換期間和在FAST模式下的阻抗特性。 轉(zhuǎn)換從顯性電平變?yōu)閘evel_0，然后變?yōu)閘evel_1。從顯性變?yōu)閘evel_0是為了獲得與FAST模式相同的電壓擺幅。否則，在轉(zhuǎn)換階段，由于更高的電壓擺幅引起的振鈴必須單獨(dú)分析。在圖4中，展示了 在數(shù)據(jù)階段結(jié)束時(shí)從FAST模式到SIC模式的模式轉(zhuǎn)換 。在整個FAST模式階段（與數(shù)據(jù)階段相同），阻抗恒定為100歐姆，與導(dǎo)線阻抗匹配。

圖4 從FAST到SIC模式轉(zhuǎn)換器件發(fā)射器的阻抗特性（來源：英飛凌）

從SIC模式到FAST模式的模式轉(zhuǎn)換 由CAN XL控制器通過TxD引腳控制 。在仲裁階段，TxD信號與所有其他類型的收發(fā)器相同。TxD高電平控制網(wǎng)絡(luò)上的隱性電平，TxD低電平控制網(wǎng)絡(luò)上的顯性電平。 在FAST模式下，控制器向收發(fā)器發(fā)送PWM編碼（脈寬調(diào)制）符號 。PWM符號的長度可以在50納秒到200納秒之間變化。如果收發(fā)器檢測到這個PWM符號，收發(fā)器將模式從SIC切換到FAST，如果不再檢測到符號，收發(fā)器切換回SIC模式。PWM符號的占空比代表將傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的電平。如果占空比小于50％，這代表邏輯0，并且將level_0（正差分信號）傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)線路。如果占空比大于50％，這代表邏輯1，并且將level_1（負(fù)差分信號）傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。

不僅在數(shù)據(jù)階段使用PWM信號控制發(fā)送收發(fā)器，接收收發(fā)器也使用PWM信號切換到FAST模式。在FAST模式下，接收器閾值設(shè)置為0V，而在SIC模式下為700mV。這保證了CAN XL控制器和CAN SIC XL收發(fā)器始終處于相同的模式。例如，不會由于錯誤而導(dǎo)致不匹配。

03****CAN XL網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證與測試

為了確保CAN XL網(wǎng)絡(luò)的可靠性和性能，需要進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和測試。在此過程中，針對CAN XL數(shù)據(jù)幀的關(guān)鍵應(yīng)用場景進(jìn)行深入分析，對于評估網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和整體性能具有至關(guān)重要的作用。

1、關(guān)鍵場景的驗(yàn)證

CAN XL數(shù)據(jù)幀中最關(guān)鍵的場景包括：1. 從SIC模式到FAST模式的轉(zhuǎn)換；2. 短位的突發(fā)；3. 在長電平_0或電平_1階段（根據(jù)stuff-bit規(guī)則最多連續(xù)11位）后接一個短位（與前一位相反的電平）。

在ADH（仲裁到數(shù)據(jù)高）位期間，收發(fā)器從顯性切換到level_0，然后切換到level_1，同時(shí)所有接收節(jié)點(diǎn)更改接收器閾值。這是通過CAN XL控制器發(fā)送到收發(fā)器TxD引腳的PWM編碼符號來實(shí)現(xiàn)的。

圖5 ADS域中SIC模式到FAST模式的轉(zhuǎn)換（來源：英飛凌）

在TxD引腳檢測到PWM編碼符號之前，接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個短顯性脈沖，隨后是縮短的SIC階段。要求是在SDT（服務(wù)數(shù)據(jù)單元類型）字段開始之前，level 1必須穩(wěn)定。此外，DL1（數(shù)據(jù)低）位的長度也很重要。從DH2（數(shù)據(jù)高）位到DL1位的轉(zhuǎn)換用于在進(jìn)入數(shù)據(jù)階段后重新同步CAN XL協(xié)議控制器。此外，還應(yīng)達(dá)到level_0。在SDT字段中選擇了“0101”位模式來分析在高比特率情況下短位的影響。

圖6 長相位后的Level_1或Level_0位（來源：英飛凌）

此外，在相同電平的大量位（連續(xù)level_1或level_0位的最高可能數(shù)量）之后的短位也是一個關(guān)鍵情況。應(yīng)該使用在連續(xù)11位相同電平后接的一個位來進(jìn)行調(diào)查。目標(biāo)是找出在CAN XL數(shù)據(jù)幀中最長的相同電平階段后，短位的比特長度和電平如何表現(xiàn)。

2、測試標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)

對于驗(yàn)證，應(yīng)使用在+100 mV和 -100 mV閾值處測量的比特時(shí)間長度。比特時(shí)間應(yīng)接近標(biāo)稱比特時(shí)間或其倍數(shù)。對于高比特率，也可以使用0 V閾值。可以忽略長度為20 ns的毛刺。

圖7 測試標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)（來源：英飛凌）

此外，還應(yīng)分析短位的電平，并且應(yīng)至少達(dá)到標(biāo)稱電平的80％。為了更輕松地驗(yàn)證CAN XL網(wǎng)絡(luò)，CiA成員正在為CAN XL數(shù)據(jù)幀中的眼圖制定建議。

本文詳細(xì)介紹了CAN XL網(wǎng)絡(luò)中的物理層革新與優(yōu)勢，包括CAN技術(shù)的演進(jìn)、物理層的關(guān)鍵技術(shù)、FAST模式下的阻抗特性以及CAN XL網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證等方面。 在下篇中，我們將進(jìn)一步探討CAN XL網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的組合與兼容性問題，以及如何選擇合適的物理層選項(xiàng)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。 敬請期待！

文章來源：本文基于Magnus Hell（英飛凌汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)首席負(fù)責(zé)人兼CiA技術(shù)總監(jiān)）在第18屆國際CAN大會（iCC）及2024年虹科CAN XL國際研討會的演講。論文已刊于《第18屆iCC會議論文集》2024版，由CiA出版。虹科智能互聯(lián)團(tuán)隊(duì)翻譯并分享，旨在與行業(yè)同仁分享前沿技術(shù)成果。

審核編輯 黃宇