CAN SIC收發(fā)器助力復(fù)雜CAN網(wǎng)絡(luò)高效可靠通信（1）

現(xiàn)在的汽車通過豐富多項功能來提升其安全性、性能和舒適性。從動力總成到高級駕駛輔助系統(tǒng)，從車身電子控制和照明到信息娛樂和安全，大量電子控制單元 (ECU) 被部署到車輛上用于豐富這些功能。

ECU通過車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總線交換控制和數(shù)據(jù)日志信息。在眾多車載總線中，CAN總線因其易用性、良好的共模噪聲抑制能力、基于優(yōu)先級的消息傳遞機制、可處理總線仲裁以及錯誤檢測和恢復(fù)等特性，一直備受追捧。

CAN總線在車載通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢

簡單且低成本

ECU通過單個CAN系統(tǒng)進行通信，而不是直接的復(fù)雜模擬信號線通信，從而減少了錯誤、重量、接線和成本；

完全集中控制

CAN總線提供了“一個進入點”，可以與所有網(wǎng)絡(luò)ECU進行通信——支持集中診斷、數(shù)據(jù)記錄和配置；

高抗擾

CAN總線具有強大的抗電干擾和抗電磁干擾能力，非常適合對安全行能要求嚴格的應(yīng)用場景；

實時高效

通過ID對CAN幀進行優(yōu)先級排序，以便優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)可以立即訪問總線，而不會引起其他幀的中斷。

通過向現(xiàn)有CAN總線添加節(jié)點，可以輕松地擴展車輛網(wǎng)絡(luò)，這也是一個主要優(yōu)勢。隨著附加功能被集成到這些應(yīng)用中，對更復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和更快速數(shù)據(jù)速率的需求日益正在增加。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜時，如CAN節(jié)點采用星形拓撲連接時，這種優(yōu)勢就會減弱。這些網(wǎng)絡(luò)中固有的未端接存根引起了反射，在速度較高時會導(dǎo)致發(fā)生信號通信故障。這兩種需求都與總線上信號振鈴的增加效應(yīng)相沖突，這突出說明了CAN介質(zhì)訪問傳統(tǒng)技術(shù)的能力有限。因此，盡管CAN靈活數(shù)據(jù)速率(FD)收發(fā)器額定值為5Mbps，但在實際車輛網(wǎng)絡(luò)中必須以低于2Mbps的速率使用。CAN信號增強能力 (SIC)的引入可能改變這種狀況，信號改善功能(SIC)使CAN-FD收發(fā)器能夠以5Mbps及更高的速度用于復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)，而無需進行大規(guī)模的重新設(shè)計。

經(jīng)典CAN和CAN-FD的局限性

第一代CAN協(xié)議ISO 11898-2（又稱經(jīng)典 CAN）于1993年左右發(fā)布。該協(xié)議只允許進行8字節(jié)的有效載荷數(shù)據(jù)傳輸，最大指定數(shù)據(jù)速率為1Mbps。經(jīng)典CAN網(wǎng)絡(luò)性價比高、穩(wěn)定可靠、具有可擴展和易于部署等優(yōu)點，能夠支持整車的復(fù)雜拓撲。但是，汽車的新功能不斷增加，數(shù)據(jù)交換需求提高，CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須突破自身的限制。與經(jīng)典CAN相比，CAN FD技術(shù)可提供更高的帶寬，它將有效載荷長度增加到64字節(jié)，同時將數(shù)據(jù)階段的傳輸速率從1Mbps提升至5Mbps。

雖然CAN FD網(wǎng)絡(luò)具有諸多優(yōu)點，但由于信號反射產(chǎn)生的“信號振鈴”問題，使得信號完整性受限，在很多網(wǎng)絡(luò)中只能達到2Mbps的傳輸速率，而且僅限于使用高度線性的拓撲。這意味著線束必須避免長線纜分支，從而使得汽車上的走線變得更加復(fù)雜，進而導(dǎo)致了汽車成本的上升和重量的增加。

當(dāng)前汽車工業(yè)快速發(fā)展，面對汽車上急劇增加的節(jié)點數(shù)量，設(shè)計人員意識到CAN FD收發(fā)器無法滿足當(dāng)前多節(jié)點復(fù)雜組網(wǎng)的情況，因為復(fù)雜星形網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的總線振鈴影響了正確的信號通信，圖1是星形拓撲示例。

圖1、在星形網(wǎng)絡(luò)中連接的CAN節(jié)點

在具有多個節(jié)點的復(fù)雜星形拓撲中，CAN芯片總線信號在翻轉(zhuǎn)時阻抗會發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致總線上傳輸?shù)男盘柍霈F(xiàn)阻抗不匹配，進而引起信號反射。這些反射的信號疊加會導(dǎo)致CAN總線振蕩，使得接收端出現(xiàn)誤翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤幀。盡管這些這種信號振鈴的情況并不僅僅在CAN FD速率下存在，但是當(dāng)以標準CAN低速率運行時，位持續(xù)時間長，采樣點相對靠后，因此可以采到正確的位（如圖2所示），從而可以正常通信。

圖2、高速CAN速度下的CAN總線振鈴和RXD干擾

對于5Mbps CAN FD 200ns的位持續(xù)時間過短，以致復(fù)雜星形拓撲中的振鈴無法通過調(diào)整采樣點去規(guī)避，從而沒法保證可靠的數(shù)據(jù)通信。這就使系統(tǒng)設(shè)計人員無法在這種復(fù)雜組網(wǎng)條件下使用CAN FD進行通信，只能降速處理。隨著現(xiàn)代車輛對更多的節(jié)點數(shù)據(jù)交換和更快的吞吐量需求，CAN SIC為下一代車載通信總線技術(shù)鋪平了道路，該技術(shù)保證更快的通信速率并提供了更大的網(wǎng)絡(luò)靈活性和可擴展性。

CAN FD SIC

在國際標準ISO11898-2:2024中的定義

信號改善是CAN FD收發(fā)器的基礎(chǔ)上增加的一項額外功能，它通過最大限度地減少信號振鈴來提高復(fù)雜星形拓撲中可實現(xiàn)的更大數(shù)據(jù)速率。CAN SIC收發(fā)器需要滿足國際標準化組織 (ISO) 11898-2:2024高速CAN物理層標準和CAN-in-Automation (CiA) 601-4信號改善規(guī)格的要求。

下圖是常規(guī)CAN FD收發(fā)器，在總線產(chǎn)生振鈴時，其總線差模信號會反復(fù)在顯性電平和隱性電平閾值之間振蕩，導(dǎo)致RXD產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)，從而使接收數(shù)據(jù)受到干擾。根據(jù)ISO 11898-2:2024規(guī)范要求，具有SIC功能的CAN收發(fā)器可有效抑制總線信號振鈴，從而產(chǎn)生正確的RXD信號，如下圖所示。

（左）無SIC功能的CAN總線和RXD波形

（右）有SIC功能的CAN總線和RXD波形

今年3月份ISO更新了最新的ISO 11898-2:2024標準，增加了對CAN SIC部分的參數(shù)要求，就電氣參數(shù)而言，符合ISO 11898-2:2024的CAN SIC收發(fā)器與常規(guī)CAN FD收發(fā)器相比，前者具有更嚴格的位時間對稱性和環(huán)路延時要求，如表1所示。發(fā)送和接收路徑延時的分離可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員清楚地計算存在其他信號鏈組件時的網(wǎng)絡(luò)傳播延時。

表1、 ISO 11898-2:2016和ISO 11898-2:2024 SIC和時間參數(shù)定義對比

目前思瑞浦最新推出的TPT1462xQ已通過德國IHR實驗室提供的符合ISO 11898-2:2024的CAN收發(fā)器一致性(IOPT)報告，成為國內(nèi)首款支持并通過ISO 11898-2:2024認證的CAN SIC收發(fā)器。通過該測試意味著TPT1462xQ已經(jīng)完全符合最新的國際標準ISO 11898-2:2024，并可以在復(fù)雜組網(wǎng)的各種條件下與其他符合國際標準并通過認證的產(chǎn)品穩(wěn)定通信。