多年來，設計人員一直依賴控制器局域網(wǎng)絡 (CAN) 來實現(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隨之攀升，而所有這些都要受到更為嚴格的尺寸、重量和成本限制。盡管如此，許多設計人員仍然不愿更改網(wǎng)絡拓撲，不過由于業(yè)內逐步穩(wěn)定改進 CAN 規(guī)格和相關 IC 解決方案，設計人員也就不必更改網(wǎng)絡拓撲了。
轉至另一網(wǎng)絡拓撲并非易事，因為這樣不但會讓先前的投資打水漂，而且還有可能因設計人員要進行相關學習而導致設計延遲。但是 CAN 規(guī)格增強可避免這種情況，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)絡等技術來處理泄漏和干擾，使用更嚴格的時序余裕來確保較高數(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)器供應商現(xiàn)使用集成度更高的解決方案來響應設計要求，其中集成了 CAN 增強功能，從而可以更好地服務于高級輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS)、傳動系統(tǒng)和信息娛樂等新興應用。
本文簡要論述了 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）的轉換。文中還將介紹合適的 CAN 解決方案，以及如何使用它們來實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率、更高的可靠性和更強的安全性。
CAN 靈活數(shù)據(jù)速率
如今，車輛板載電子設備日益增多，設計人員需要更高的性能，不過他們的解決方案并非是轉至完全不同的網(wǎng)絡，而是利用 CAN 增強功能，首先便是 CAN FD。這樣可提供高達 5 Mb/s 的速率，而 ISO 11898 標準中定義的原始 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計人員要在車內添加更多 CAN 網(wǎng)絡設備和連接，如此一來，便不可避免地會增加布線、功率損耗和重量。
CAN FD 標準解決了帶寬難題，同時實現(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 標準將有效載荷中的最大數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)從 8 字節(jié)擴展到 64 字節(jié)。（圖片來源：Microchip Technology）
從經典 CAN 轉換到 CAN FD
隨著增添了攝像頭和傳感器（包括用于高級輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS) 的產品），通過車載網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量開始不斷增加。雖然速度更快的 CAN FD 網(wǎng)絡可提供些許助力，但開發(fā)它們時需要更高的精度。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。
當然，還會出現(xiàn)一些其他問題，例如 CAN 網(wǎng)絡內的高速數(shù)據(jù)傳輸可能產生干擾漏電電流。此外，如果 CAN FD 系統(tǒng)搭配傳統(tǒng) CAN 實施，則將會面臨一項重大挑戰(zhàn)，即如何確保不因混合網(wǎng)絡布局而發(fā)生錯誤。
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，就可進一步減小最大傳播延遲，從而支持更長的網(wǎng)絡連接和 CAN 總線上的更多節(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)器可確保環(huán)路對稱，從而實現(xiàn)更長的網(wǎng)絡連接和 CAN 總線上的更多節(jié)點。（圖片來源：Microchip Technology）
Microchip 和其他 CAN 收發(fā)器供應商也在實施符合 ISO 11898-2:2016 標準的局部網(wǎng)絡機制。局部網(wǎng)絡可支持選擇性喚醒功能和自動總線偏置，從而確保實現(xiàn)從傳統(tǒng) CAN 到高速 CAN FD 系統(tǒng)的平穩(wěn)轉換。
例如，NXP Semiconductors 的 TJA1145 高速 CAN 收發(fā)器可支持高達 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。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/待機模式，而不會產生總線錯誤。
最終，所有 CAN 控制器都必須符合高速 CAN 總線標準，將所有 CAN 總線節(jié)點轉換為 FD Active 節(jié)點。但在此之前，局部網(wǎng)絡將彌補傳統(tǒng) CAN 和 CAN FD 之間的差距。
NXP 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 信息。與局部網(wǎng)絡一樣，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 (AUTOSAR) 完成對其 FD Shield 技術的評估，并正在向主要汽車 OEM 和一級供應商提供樣品。
采用更小型 CAN 收發(fā)器提供總線保護
除了更快的數(shù)據(jù)速率外，設計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常靠近，所以必須小心謹慎，確保它們不會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) 器件來應對 ESD 和 EMI 問題。
有關適用于 CAN 總線的 TVS 重要主題的更多信息，請參閱“設計導入 TVS 二極管保護以增強 CAN 總線可靠性”。
不過，汽車設計人員也在想方設法降低 CAN 設計的重量和成本。例如，Texas Instruments 的 TCAN1042 和 TCAN1051 收發(fā)器已經去掉了扼流圈，這樣既能減少元器件數(shù)量，同時也能符合嚴格的抗噪性要求（圖 3）。
圖 3：TCAN1042 CAN 收發(fā)器提供了保護功能，可增強 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 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。
TCAN1042 和 TCAN1051 收發(fā)器可提供高達 ±15 千伏 (kV) 的 ESD 保護，這可能會避免 TVS 二極管的使用。此外，設計人員可以使用評估模塊 TCAN1042DEVM 快速、輕松地評估這些 CAN 收發(fā)器的性能，其中該評估模塊還提供了有關 CAN 總線端接、CAN 總線濾波和保護概念的信息。
CAN 的下一個目標：安全性
用于鏈接 ECU 的基于 CAN 的車載網(wǎng)絡相對簡單且易于使用。但是，如果單個 ECU 的安全性受損，可能會使整個車輛容易受到入侵。要保護 CAN 通信，一個廣為人知的方案是依據(jù)信息驗證代碼 (MAC) 機制，其中該機制采用了加密和復雜密鑰管理。但是，對 CAN 消息加密會增加 CAN 總線負載、消息延遲和功耗。由于當前安裝的 CAN 控制器缺乏計算能力，因此難以升級車載網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)安全的 CAN 通信。
最近的 CAN 收發(fā)器機制就更為簡單了，其可以避免帶寬開銷、延遲和處理負載。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 CAN 網(wǎng)絡的同時減少延遲和帶寬要求，最新的收發(fā)器會對消息 ID 進行過濾。（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。如果消息在總線上失效且具有活動錯誤標志，則它們可以檢測到網(wǎng)絡事件。接著，安全 CAN 收發(fā)器會暫時斷開本地主機與 CAN 總線的連接。
不過，如果沒有檢測到安全威脅，CAN 收發(fā)器可以像標準高速 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準 CAN 收發(fā)器。
諸如 NXP 這類的供應商在此所做的是，完全在硬件中實現(xiàn)安全功能，允許 CAN 收發(fā)器獨立于 CAN 控制器執(zhí)行安全性操作。這樣一來，便可避免對 ECU 進行軟件更改以及 ECU 操作中斷的相關風險。
此外，安全 CAN 收發(fā)器會保留一個日志，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，因此可充當入侵檢測系統(tǒng)。
總結
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計人員的通信要求。首先，CAN 收發(fā)器正在不斷改造中，以實現(xiàn)向高速 CAN FD 網(wǎng)絡的轉換。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，同時還降低了 BOM 成本，并縮小了設計尺寸。最后，CAN 收發(fā)器能夠起到保護 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 CAN 總線，還可以保護未來互連汽車的安全。
