CAN 收發(fā)器的聚合挑戰(zhàn)，飛思卡爾有妙招

　　本文作者：

　　飛思卡爾公司 David Lopez & Philippe Mounier

       摘要

　　行業(yè)正在面臨著看似截然相反的兩種發(fā)展趨勢，一種趨勢需要更高帶寬，以更低的成本提高數(shù)據(jù)交換速率；另一種趨勢則需要出色的能源效率。CAN是平衡這兩種需求的核心所在，這需要推出多種創(chuàng)新技術(shù)，既要分別利用這些技術(shù)，同時又將它們相互結(jié)合，以便應(yīng)對這兩種趨勢，最終各種需求和限制因素歸結(jié)為物理層的實現(xiàn)。

　　本文介紹CAN FD（Flexible data）可變速率物理層的技術(shù)挑戰(zhàn)、潛在的應(yīng)用案例場景，包括邊界條件下的可靠性要求，以及與替代性解決方案相比，為網(wǎng)絡(luò)帶來的器件節(jié)省優(yōu)勢。與此同時，為了功耗優(yōu)化，可供選擇的是否帶喚醒系統(tǒng)功能的CAN收發(fā)器在汽車行業(yè)的應(yīng)用在不斷增加，并且能夠為有這類需求的其它市場（例如工業(yè)市場）帶來極大的效益。

　　每一種創(chuàng)新都有助于確保并且增強CAN的使用性能，提高效率或增加傳輸速率，如今這些創(chuàng)新相互組合，又需要解決各種全新的挑戰(zhàn)。

　　在汽車網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)向前邁出了重大一步，電子設(shè)備延伸到各種汽車平臺。自從1980年控制器局域網(wǎng)（CAN）創(chuàng)建以來，它便在一直適應(yīng)發(fā)展，解決了這個行業(yè)的帶寬、可靠性和低功耗等方面的各種挑戰(zhàn)。

　　各種市場都采用了CAN拓撲技術(shù)。CAN最初的開發(fā)目的是為了支持汽車市場，隨著獲得汽車5大領(lǐng)域（動力總成、底盤、安全、車身和車載信息娛樂系統(tǒng)）的大范圍認(rèn)可，CAN如今已經(jīng)應(yīng)用于眾多其它領(lǐng)域（重型車輛——基于J1939的解決方案、農(nóng)業(yè)機械——ISO 11783，又稱Isobus、航天系統(tǒng)——Arinc 825/6、移動設(shè)備、醫(yī)療和不斷發(fā)展壯大、采用CANopen EN50325-4和CANopen安全標(biāo)準(zhǔn)EN 50325-5的工廠自動化應(yīng)用）。

　　到2015年將會達到20億個節(jié)點（80%的節(jié)點屬于汽車市場，其它屬于工業(yè)市場），CAN會成為最大規(guī)模工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，并在對成本和可靠性敏感的應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注。

　　CAN市場細分，單位百萬（2015年）

　　CAN的優(yōu)勢有多種：由基于全差分結(jié)構(gòu)，可以用于系統(tǒng)間通信 ，降低了噪聲干擾；它還可以作為即插即用解決方案，提供靈活的帶寬。此外，由于通過行業(yè)規(guī)范的認(rèn)可和兼容性一致性測試（電氣和EMC/ESD），大幅提高了物理層對外部干擾的抵抗能力和內(nèi)部噪聲的抑制能力。CAN收發(fā)器的這些新的技術(shù)革命帶來了他的使用更加簡單、快速和強健。

　　這種標(biāo)準(zhǔn)化的進程有利于CAN總線技術(shù)在市場上的快速增長，降低了這種技術(shù)解決方案的整體成本。

　　如今，為了適應(yīng)更快通信換速率的行業(yè)發(fā)展趨勢，以及降低網(wǎng)絡(luò)能耗的需求，由此推出了新的標(biāo)準(zhǔn)。

　　CAN PN（partial networking） （ISO11898-6）支持選擇性喚醒，在物理層內(nèi)部可以存儲并檢查ECU喚醒。其次，另一個問題便是需要提高帶寬，CAN FD確保了在傳輸期間實現(xiàn)更快的波特率和更高的數(shù)據(jù)量。

　　提高網(wǎng)絡(luò)級的帶寬可以延遲向更高波特率網(wǎng)絡(luò)的過渡，并且成本更低（與FlexRay或者以太網(wǎng)相比），提供中間系統(tǒng)解決方案，滿足更高通信速率的需求。

　　這樣的演變需要物理層做出相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)每一種市場的需求，而且需要將各種架構(gòu)加以整合，以便維持強勁的性能。

　　CAN高速物理層和提高帶寬的挑戰(zhàn)

　　如今大部分汽車CAN使用速率為500 kb/s。只有少數(shù)應(yīng)用的運行速率達到1 Mb/s，但它們會面臨嚴(yán)重的技術(shù)限制條件，例如網(wǎng)絡(luò)長度和節(jié)點數(shù)量，CAN FD允許提高CAN幀數(shù)據(jù)段的比特率，并且可以擴大傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量，同時數(shù)據(jù)幀起始段（ID，DLC）與現(xiàn)行的波特率保持一致大多數(shù)情況下為500 kb/s。這從整體上有助于提高CAN協(xié)議的效率，同時確保運行現(xiàn)有的CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(shù)（長度、存節(jié)點、終端概念）。

　　在最初發(fā)布時，CAN FD協(xié)議和技術(shù)規(guī)范聲稱其可以使用現(xiàn)有的CAN收發(fā)器，盡管運行速率可高達8 Mb/s。但是，深入分析ECU和主要的CAN收發(fā)器設(shè)備在最終應(yīng)用環(huán)境（例如EMC）中應(yīng)該滿足的要求、環(huán)境和技術(shù)規(guī)范，所得結(jié)論是：至少需要對CAN收發(fā)器實施一定的優(yōu)化，最終大幅改變收發(fā)器的理念或設(shè)計，從而全面符合可變速率的技術(shù)規(guī)范。

　　關(guān)于EMC，輻射干擾或傳導(dǎo)干擾取決于信號完整性和CAN信號的波形。然而，CAN傳輸波特率（即500 kb/s）衍生出的基波和諧波在整個頻譜范圍內(nèi)都是清晰可見的。

　　為了提高CAN FD波特率，部分比特數(shù)據(jù)通過更高波特率傳輸，這會導(dǎo)致諧波“移動”到更高頻率的頻譜范圍。

　　在這些頻率下，要求具有極低的干擾，如果沒有外部濾波組件或內(nèi)在的設(shè)計改進，CAN FD收發(fā)器將難以滿足這些需求。以下波形展示介紹了500 kb/s和2 Mb/s速率時典型的CAN接口頻譜圖，未采用外部濾波器。數(shù)值根據(jù)IEC61967 ［8］標(biāo)準(zhǔn)測量獲得。在CAN FD2 Mb/s的速率下運行時產(chǎn)生的頻率“位移”清晰可見。

　　MC33901在速率為500 kps和2 Mbps時的CAN干擾對比

        為了保持汽車市場的EMC等級要求，需要對 CAN驅(qū)動程序進行優(yōu)化，CAN FD 的傳輸速率達到2MB/s是第一步，以后還會實現(xiàn)更高的傳輸速率。

        本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)7月《汽車電子特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處！