应用最新的CAN总线增强功能,实现安全可靠的高速汽车通信

设计人员多年来一直依赖控制器局域网(CAN)来实现汽车各子系统和电子控制单元(ECU)之间的可靠通信。然而,随着机载网络节点的数量增加,所需的数据吞吐量以及对更低延迟和更高级安全性的需求也都增加,所有这些都在紧密的尺寸,重量和成本限制内。尽管如此,许多设计人员仍然不愿意改变网络拓扑,并且由于CAN规范和相关IC解决方案的稳步改进,他们不必这样做。
由于先前投资的损失以及随着设计师向上移动学习曲线而导致设计延迟的可能性,转向另一种网络拓扑很困难。但是,可以通过再次查看CAN规范增强功能来避免这种情况,例如CAN灵活数据速率(FD)以获得更高的吞吐量,使用部分网络等技术来处理泄漏和干扰,使用更严格的时序余量来确保可靠性更高数据速率的通信和增强的安全性。
此外,CAN收发器供应商已经通过更多集成解决方案来满足设计要求,这些解决方案结合了CAN增强功能,可以更好地服务于新兴应用,如高级驾驶员辅助系统(ADAS),动力系统和信息娱乐系统。
本文简要讨论了CAN及其增强功能,包括设计人员如何管理向更高级迭代的过渡,例如CAN FD。在此过程中,它将引入合适的CAN解决方案以及如何使用它们来实现更快的数据速率,更高的可靠性和更高的安全性。

CAN灵活的数据速率

现在车辆上有更多的电子设备,设计人员需要更高的性能,但他们不是转向完全不同的网络,而是从CAN FD开始,可以利用CAN增强功能。与ISO 11898标准中定义的原始CAN规范的1 Mbit / s(最大值)相比,这提供了高达5 Mbits / s的速率。数据速率限制迫使汽车设计人员在车内添加更多CAN网络设备和连接,不可避免地导致更多布线,功率损耗和重量。
CAN FD标准解决了带宽困境,同时在标称条件下将数据速率提高到2 Mbits / s,在编程模式下则达到5 Mbits / s。这种主要的CAN增强功能具有修改的帧速率,可将数据字段从8字节增加到64字节,从而更有效地支持数据密集型应用程序(图1)。
CAN FD标准的图像,2012年更新
图1:2012年更新的CAN FD标准将有效载荷中的最大数据字节数从8字节扩展到64字节。(图片来源:Microchip Technology)

从经典CAN转换到CAN FD

在增加摄像头和传感器(包括高级驾驶员辅助系统(ADAS))的过程中,通过车载网络传输的数据量不断增加。虽然高速CAN FD网络可以提供帮助,但它们在开发过程中确实需要更高的精度。例如,在更高的数据速率下,稳定位值的可用裕度会迅速缩小,增加了出错的可能性并破坏了CAN固有的可靠性。
还存在诸如CAN网络内的高速数据传输可能产生的干扰泄漏电流的问题。此外,与经典CAN一起实施CAN FD系统在确保由于混合网络布置而不引入错误方面提出了重大挑战。
为帮助解决其中一些问题,Microchip Technology推出了MCP2561 / 2FD高速CAN收发器。该器件提供与其前代产品MCP2561 / 2相同的内核功能,但增加了有保证的环路延迟对称性,以支持CAN FD所需的更高数据速率(图2)。反过来,这减少了最大传播延迟,以便支持更长的网络连接和CAN总线上的更多节点。具体而言,MCP2561 / 2FD CAN收发器的最大传播延迟为120纳秒(ns)。
Microchip MCP2561 / 2FD CAN收发器示意图
图2:MCP2561 / 2FD CAN收发器具有保证的环路对称性,可实现更长的网络连接和CAN总线上的更多节点。(图片来源:Microchip Technology)
Microchip和其他CAN收发器供应商也在实施符合ISO 11898-2:2016标准的部分网络机制。部分网络通过支持选择性唤醒功能和自动总线偏置,确保从传统CAN到高速CAN FD系统的平滑过渡。
例如,恩智浦半导体的 TJA1145高速CAN收发器支持高达2 Mbits / s的数据速率,并通过称为FD Passive的选择性唤醒功能集成了部分网络。它允许常规CAN控制器在CAN FD通信期间不需要通信CAN FD消息以保持睡眠/待机模式,而不会产生总线错误。
最终,所有CAN控制器都必须符合高速CAN总线标准,将所有CAN总线节点转换为FD Active节点。但在此之前,部分网络将弥合传统CAN和CAN FD世界之间的差距。
恩智浦还提供CAN FD Shield技术,该技术使用高度精确的振荡器动态过滤CAN FD消息。与部分网络一样,采用FD Shield功能的CAN收发器可为现有收发器提供直接替代,因此无需更改软件。恩智浦已通过汽车开放系统架构(AUTOSAR)完成了对其FD Shield技术的评估,并正在向主要汽车OEM和一级供应商提供样品。

采用小型CAN收发器的总线保护

除了更快的数据速率外,设计人员还可以利用高度集成的CAN解决方案来降低BOM成本和电路板空间。然而,这些设备通常彼此靠近以及其他敏感的电子设备,因此必须注意它们不会引起干扰或易受干扰,因此电磁干扰(EMI)和抗噪声是重要的特性。CAN收发器通常使用分立滤波器,共模扼流圈和瞬态电压抑制(TVS)器件来对抗ESD和以EMI为中心的问题。
有关CAN总线TVS的重要主题的更多信息,请参阅“设计TVS二极管保护以提高CAN总线可靠性”。
然而,汽车设计师越来越多地寻求降低基于CAN设计的重量和成本的方法。例如,德州仪器(TI)TCAN1042  和TCAN1051收发器已经去掉了扼流圈,以减少元件数量,同时仍然符合严格的抗噪声要求(图3)。
德州仪器TCAN1042 CAN收发器图
图3:TCAN1042 CAN收发器提供保护功能以增强CAN稳健性,并用于汽车HVAC控制模块和RF智能遥控器等应用。(图片来源:德州仪器)
在CAN系统中,防止高总线故障和静电放电(ESD)的保护至关重要,这些系统现在可满足车辆中12伏,24伏和48伏电池的要求,以及24伏工业电源。它可以保护CAN总线引脚免受短至直流电压的影响,并且输出信号具有更好的匹配性。
TCAN1042和TCAN1051收发器提供高达±15千伏(kV)的ESD保护,这可能无需外部TVS二极管。此外,设计人员可以使用评估模块TCAN1042DEVM快速轻松地评估这些CAN收发器的性能,该评估模块还提供有关CAN总线终端,CAN总线过滤和保护概念的信息。

CAN的下一个前沿:安全

用于链接ECU的基于CAN的车载网络相对简单且易于使用。但是,安全性受损的单个ECU可能会使整个车辆容易受到攻击。用于保护CAN通信的众所周知的选项基于采用密码术和复杂密钥管理的消息认证码(MAC)机制。但是,CAN消息的加密会增加CAN总线负载,消息延迟和功耗。由于当前安装的CAN控制器缺乏计算能力,因此难以升级车载网络以实现安全的CAN通信。
最近的CAN收发器具有更简单的机制,可以避免带宽开销,延迟和处理负载。这些安全的CAN收发器可以过滤消息ID,因此如果受损的ECU尝试发送带有最初未分配给它的ID的消息,则收发器可以拒绝将其发送到CAN总线(图4)。除了防止欺骗尝试外,CAN收发器还可以通过使来自受损ECU的消息无效来防止篡改和泛洪攻击。
更新的收发器过滤消息ID的图表
图4:为了在保护CAN网络的同时减少延迟和带宽要求,更新的收发器正在过滤消息ID。 (图片来源:恩智浦半导体)
这些CAN收发器可在不使用加密技术的情况下提供防止泛滥,欺骗和篡改的安全性。如果消息在具有活动错误标志的总线上失效,则它们可以检测到网络事件。接下来,安全CAN收发器暂时断开本地主机与CAN总线的连接。
但是,如果没有检测到安全威胁,CAN收发器就像标准的高速CAN收发器。换句话说,这些安全的CAN收发器可以替代类似封装中的标准CAN收发器。
像恩智浦这样的供应商在这里做的是完全在硬件中实现安全功能,允许CAN收发器安全操作独立于CAN控制器执行。这反过来又避免了对ECU的软件更改以及ECU操作中断的相关风险的需要。
此外,安全的CAN收发器会保留一个日志,用于报告总线上的安全事件。这些CAN收发器还可以保护自己的配置更新,因此可以充当入侵检测系统。

结论

CAN总线于1983年开始运行,但正如本文所示,它已经很好地适应了汽车电子设计师的通信要求。首先,CAN收发器正在进行改造,向高速CAN FD网络过渡。其次,CAN收发器通过消除共模扼流圈和TVS二极管等外部元件,提高了可靠性,同时降低了BOM成本和设计尺寸。最后,CAN收发器通过将安全功能嵌入收发器硬件中来发挥其在保护CAN总线方面的作用。后者不仅可以保证CAN总线,还可以保证联网汽车的未来。
 

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