【導讀】CAN總線(Controller Area Network)是上世紀80年代開發的一種串行通訊總線。由于其高性能、易用性及高可靠性而被廣泛應用于汽車、工業控制等行業。但隨著汽車電子、工業自動化的蓬勃發展，總線上的設備數量、通訊數據量都大大增加，使得傳統HS-CAN (High Speed CAN)的500kbps(最高1Mbps)傳輸速率受到了極大的挑戰。
為滿足更高的帶寬及數據吞吐量，CANFD (CAN Flexible Data-rate)應運而生。本文主要介紹了隨著CAN總線通訊速率提升而帶來的一些新的挑戰，以及英飛凌所提供的低成本針對性解決方案。
英飛凌技術專家 James Liu
CAN總線發展歷程
1. HS-CAN
在上世紀80年代，隨著汽車電氣化進程，車內ECU (Electric Control Unit) 數量越來越多，使得各模塊之間通訊的網絡拓撲結構越來越復雜，線束重量及成本也越來越高。在此需求下，CAN總線被開發出來取代昂貴而笨重的通訊線束。它使用兩條雙絞線來傳輸信號，可以1Mbps的速率在40米的距離上傳輸信號。1991年CAN總線技術規范(Version 2.0)制定并發布。1993年ISO組織正式公布CAN國際標準ISO11898，除了CAN協議外，它還標準化了物理層定義。
2. CANFD
隨著實際應用中HS-CAN總線負載率越來越高，有些車廠甚至總線負載率高達95%，更高速率的CANFD應運而生。CANFD繼承了CAN的絕大多數特性，如同樣的物理層，仲裁機制等。并且CANFD能向下兼容HS-CAN。對比傳統的HS-CAN總線，CANFD有兩方面的升級：
● 支持可變通訊速率 – 最大5Mbps ~ 8Mbps
● 支持更長的數據長度 – 最長64 byte數據
● 2015年ISO組織已經正式認可CANFD，并通過了更新的ISO11898-1標準。
3. CANXL
展望未來，關于下一代CAN是什么樣子的討論也在激烈進行中。在2020年第17屆國際CAN大會上CiA協會(CAN in Automation)介紹了第三代CAN通信技術CAN XL (CAN Extra Long)。其數據場長度提升至最高2048 byte，速率進一步提升至10Mbps甚至20Mbps。關于CANXL物理層的定義還在進行中，英飛凌為此已開發完成相應IP及內部測試用芯片，為將來推出適合市場需求的CANXL收發器做好準備。
信號的反射與干擾 — 振鈴
信號振鈴現象在CAN通訊中是普遍存在的，尤其在星型拓撲結構中當總線電平由顯性狀態切換到隱性狀態時更容易產生。
更高的通訊速率意味著更窄的位寬時間，當前CANFD的2Mbps相比以前HS-CAN的500kbps位寬時間由2000ns縮短為500ns。同樣強度的振鈴干擾，在更高的通訊速率下，由于得不到足夠的時間衰減到隱性差分電壓判定閾值以下，從而更容易導致通訊錯誤。如圖顯示是同一網絡拓撲結構同一節點，分別發送500kbps和2Mbps的CAN信號時的波形對比。
為了減少振鈴效應，目前的主流做法是縮小CAN網絡規模，減少節點數，縮短支線長度，盡量使用線性拓撲結構(linear topology)等。這些措施確實能有效減小振鈴強度，但是也帶來了一些缺點：
● 增加了CAN總線數量，例如將一條10個節點的總線拆分成兩條5個節點的總線；
● 增加了網關(gateway)的需求，以應對更多不同總線之間的信息交互；
● 縮短支線長度，變更拓撲結構等措施，與整車模塊布局相沖突。
振鈴抑制—CANSIC信號改善收發器
為應對以上困難和挑戰，英飛凌推出了CANSIC (CAN Signal Improvement Capability)信號改善收發器—TLE9371SJ & TLE9371VSJ。該收發器能從發送端有效控制振鈴強度，減少信號振鈴效應，提升總線信號質量。當總線需要從顯性狀態切換到隱性狀態時，TLE9371首先會控制總線電平的切換斜率，這一功能在改善EMC表現的同時也適當降低了振鈴強度。在此之后的300ns內TLE9371將總線控制在低阻抗狀態，從而徹底吸收振鈴能量。
TLE9371與現有的DSO8封裝CAN/CANFD收發器可簡單實現pin to pin兼容，使得客戶即使在研發中后期才發現振鈴問題點，也能比較輕松的升級收發器解決振鈴問題。如圖顯示是同一網絡拓撲結構同一節點，分別使用普通CANFD收發器和CANSIC收發器發送2Mbps的CAN信號時的波形對比。
結語
作為業內主要的車載網絡方案供應商，英飛凌有完整的CAN收發器產品家族：
● 通訊速率從1Mbps至5Mbps，隨著TLE9371的問世進一步提升至8Mbps
● 工作模式涵蓋：普通(basic CAN), 待機(Standby CAN)，睡眠(Sleep CAN)，局部網絡(PN CAN)
● 產品封裝：8 pin, 14 pin, DSO封裝，TSON封裝
● 溫度等級：grade-1 (-40~125℃)，grade-0 (-40~150℃)
CANSIC信號改善收發器TLE9371，補足了產品家族中高帶寬及振鈴抑制這一部分，能有效降低系統設計成本，簡化大型網絡的設計難度。該技術從物理層保證CANFD協議得到有效可靠的傳輸，并且沒有副作用，為5Mbps及8Mbps的CANFD應用鋪平道路。
英飛凌的TLE9371系列CANSIC收發器已于2023上半年實現量產。
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