本文作者：

　　飛思卡爾公司 David Lopez & Philippe Mounier

       摘要

　　行業正在面臨著看似截然相反的兩種發展趨勢，一種趨勢需要更高帶寬，以更低的成本提高數據交換速率；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，這需要推出多種創新技術，既要分別利用這些技術，同時又將它們相互結合，以便應對這兩種趨勢，最終各種需求和限制因素歸結為物理層的實現。

　　本文介紹CAN FD（Flexible data）可變速率物理層的技術挑戰、潛在的應用案例場景，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，為網絡帶來的器件節省優勢。與此同時，為了功耗優化，可供選擇的是否帶喚醒系統功能的CAN收發器在汽車行業的應用在不斷增加，并且能夠為有這類需求的其它市場（例如工業市場）帶來極大的效益。

　　每一種創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，如今這些創新相互組合，又需要解決各種全新的挑戰。

　　在汽車網絡領域，通信標準已經向前邁出了重大一步，電子設備延伸到各種汽車平臺。自從1980年控制器局域網（CAN）創建以來，它便在一直適應發展，解決了這個行業的帶寬、可靠性和低功耗等方面的各種挑戰。

　　各種市場都采用了CAN拓撲技術。CAN最初的開發目的是為了支持汽車市場，隨著獲得汽車5大領域（動力總成、底盤、安全、車身和車載信息娛樂系統）的大范圍認可，CAN如今已經應用于眾多其它領域（重型車輛——基于J1939的解決方案、農業機械——ISO 11783，又稱Isobus、航天系統——Arinc 825/6、移動設備、醫療和不斷發展壯大、采用CANopen EN50325-4和CANopen安全標準EN 50325-5的工廠自動化應用）。

　　到2015年將會達到20億個節點（80%的節點屬于汽車市場，其它屬于工業市場），CAN會成為最大規模工業網絡標準的組成部分，并在對成本和可靠性敏感的應用中受到越來越多的關注。

　　CAN市場細分，單位百萬（2015年）

　　CAN的優勢有多種：由基于全差分結構，可以用于系統間通信 ，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，由于通過行業規范的認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部噪聲的抑制能力。CAN收發器的這些新的技術革命帶來了他的使用更加簡單、快速和強健。

　　這種標準化的進程有利于CAN總線技術在市場上的快速增長，降低了這種技術解決方案的整體成本。

　　如今，為了適應更快通信換速率的行業發展趨勢，以及降低網絡能耗的需求，由此推出了新的標準。

　　CAN PN（partial networking） （ISO11898-6）支持選擇性喚醒，在物理層內部可以存儲并檢查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更快的波特率和更高的數據量。

　　提高網絡級的帶寬可以延遲向更高波特率網絡的過渡，并且成本更低（與FlexRay或者以太網相比），提供中間系統解決方案，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的調整以適應每一種市場的需求，而且需要將各種架構加以整合，以便維持強勁的性能。

　　CAN高速物理層和提高帶寬的挑戰

　　如今大部分汽車CAN使用速率為500 kb/s。只有少數應用的運行速率達到1 Mb/s，但它們會面臨嚴重的技術限制條件，例如網絡長度和節點數量，CAN FD允許提高CAN幀數據段的比特率，并且可以擴大傳輸數據字節的數量，同時數據幀起始段（ID，DLC）與現行的波特率保持一致大多數情況下為500 kb/s。這從整體上有助于提高CAN協議的效率，同時確保運行現有的CAN網絡拓撲技術（長度、存節點、終端概念）。

　　在最初發布時，CAN FD協議和技術規范聲稱其可以使用現有的CAN收發器，盡管運行速率可高達8 Mb/s。但是，深入分析ECU和主要的CAN收發器設備在最終應用環境（例如EMC）中應該滿足的要求、環境和技術規范，所得結論是：至少需要對CAN收發器實施一定的優化，最終大幅改變收發器的理念或設計，從而全面符合可變速率的技術規范。

　　關于EMC，輻射干擾或傳導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都是清晰可見的。

　　為了提高CAN FD波特率，部分比特數據通過更高波特率傳輸，這會導致諧波“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在的設計改進，CAN FD收發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。數值根據IEC61967 ［8］標準測量獲得。在CAN FD2 Mb/s的速率下運行時產生的頻率“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驅動程序進行優化，CAN FD 的傳輸速率達到2MB/s是第一步，以后還會實現更高的傳輸速率。

        本文選自電子發燒友網7月《汽車電子特刊》Change The World欄目，轉載請注明出處！
       

　　CAN可靠性

　　CAN物理層收發器的一個重大性能革命在于它實現了自身抵御系統噪聲的干擾，無論有無外部的保護器件。在定義CAN物理層時需要考慮多種規范的需求。

　　為了解決這些挑戰，在 （EME、EMI、ESD） 領域，利用先進的混合信號和電源技術SMARTMOS 8工藝，已經開發出一系列豐富多樣的創新，以便實現系統可靠性的提升，并且無需外部扼流圈保護便可達到標準。

　　抗干擾設計：

　　CAN網絡如同吸收電磁噪聲的天線，它通過類似電動機、電磁閥、繼電器這樣負載切換或者通過外部來源生成。在CAN通信期間，當施加電磁噪聲時，信號完整性不能被干擾。

　　這被稱為電磁抗干擾（EMI）。主要采用兩種EMI測試模擬以驗證物理層的可靠性：分別是直接功率注入法（IEC62132-4）和大電流注入法（ISO11452-4） ［2］。

　　在外部EMC的入侵下，MCU TxD和RxD終端之間數據的傳輸和接收的信號應該在一定范圍內震蕩。隨著傳輸速率的提高，數據的保持時間會減少，所能接受的信號震蕩容限范圍會隨之降低這需要CAN收發器具備出色的EMC性能。

　　下圖為EMC測試原理的簡化圖，通過耦合電容器施加射頻干擾，同時收發器向總線傳輸數據。監控收發器RxD信號，并與信號模板對比，它包含了允許的電壓和時序偏差（抖動）的典型信號。這種波動會變得越來越小，以適應CAN FD的運行。

　　EMC測試設置和容差范圍簡化示意圖

        在物理層中，可以提供完整的EMC設計流程，包括準確的設計和布局指南、豐富的模塊級和頂層單元級仿真以及EMC仿真內部運行中包括了工藝和溫度變量在內的各種模型，從而針對技術規范確保一定程度內的余量。由此，這些設計的改進確保了CAN信號完整性，支持信號注入量達到39 dBm。

　　通過CAN FD使用案例，不受EMC的限制，部分傳播延遲還可以經過優化，從而實現更高波特率的運行。這種物理層設計的演變對抗干擾性產生了影響，允許的抖動窗口變得越來越小。噪聲敏感度也因此增強，設計需要更高的抗干擾解決方案。下圖展示了在2 Mb/s的使用案例情況下，飛思卡爾MC33901 CAN高速物理層通過了DPI注入的性能。

　　MC33901/MC34901 – 帶有扼流圈時的直接功率注入CAN，2 Mb/s

        憑借高ESD性能提高系統可靠性：

　　物理層有專門的設計用于承受IC級和系統級定義的最嚴格ESD標準。它通過了AEC Q-100文檔中的規定ESD測試：人體模型（HBM） +-10 kV、機器模型（MM） +-200 V和帶電設備模型（CDM） +-750 V。此外，物理層經過優化，還通過了ISO10605:2008 ［3］、IEC61000-4-2:2008 ［4］、HMM（人人體金屬模型）［5］定義的系統級壓力測試。

　　ESD GUN可以用于重現人體處理電子系統子部件或者接觸汽車/設備結構時靜電放電的影響。測試物理層所用的標準為ISO10605:2008、EN 61000-4-2:2008技術規范，IC上電和未上電。在集成電路開發階段必須考慮到所有這些標準，因為每一種標準的設置變量都會導致不同的抗壓特性。

        系統級到組件級的ESD技術規范

　　CAN H和CAN L引腳具有強大的抗靜電電壓等級，可以預防直接施加在引腳級的系統級壓力，無論帶或不帶外部保護。為了獲得這樣的高性能（25 kV），采用了SEED ［7］方法（系統高效ESD設計推廣一種板載和片上芯片ESD保護的IC/OEM協同設計方法，從而獲得系統級ESD）。下表歸納了一個飛思卡爾CAN高速物理層的ESD性能實例。

　　ESD性能匯總

　　高ESD和DPI的性能組合是對能量吸收的挑戰，同時不可降低CAN通信速度。如上表所示，最新的CAN物理層旨在通過所有組件和系統ESD壓力測試，同時對外部EMI干擾免疫，無論是否添加外部組件（例如扼流圈），并且處于最優的裸片區域內。所有這些創新構成物理層進一步集成（系統基礎芯片（SBC）、ASSP、ASIC）的可靠性的基礎。這些限制條件相互組合，是IC架構的基礎所在，從而成功通過最終驗收。

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　　CAN和能源效率

　　由于CAN標準的演變和創新，可以實現系統級的電流和功耗管理。在汽車中未使用時通過禁用和激活低功耗模式，可以降低和優化整個系統的電流消耗。當然在必要情況下，ECU應當恢復運行。

　　如圖所示，可以分析2個ECU、汽車泊車輔助和電子泊車制動的運行。當汽車的運行速度超過一定數值時（比如數千公里/小時），這些ECU就不再需要工作了。此時，這些ECU可以自行設置為低功耗模式，它們通過CAN網絡和CAN報文接收車輛速度。當速度大于預先設定的閾值，這些ECU可以主動設置為低運行模式，禁用或關閉線路板組件（例如MCU或負載驅動器）的電源。只需最少的IC保持激活狀態，用于監控CAN總線流量并檢測特定的CAN報文或CAN的部分報文，它可以指示何時給暫停運行的IC重新上電，以便指示這些ECU它們應該恢復運行。

　　這有助于汽車整體功耗的降低和優化。

　　可以通過在與CAN總線相連的CAN收發器內部執行CAN報文檢測，實現這種操作。這被稱為CAN局部網絡或CAN選擇性喚醒。

　　挑戰在于，通過極低功耗（目標低于500 uA）能夠解碼輸入的CAN幀，在CAN物理層內以最低成本獲得完整的局部網絡，且不使用精確的振蕩器組件（例如晶體振蕩器或共振器）。需要提醒的是，MCU內部的CAN控制器采用極為準確的時鐘，其測量的精度和偏差均可達到ppm級。顯然，這樣的時鐘精度在硅片中還不能實現。

　　然而，CAN報文和解碼只需要“百分比”量程的時鐘。因此，憑借創新的技術和解決方案，這些方案可在混合信號硅工藝中完成，CAN報文的集成可以實現，從而用于CAN收發器功能。

　　這些解決方案采用高精度模擬功能（例如低功耗精確振蕩器、低電流差分接收器、低功耗基準電壓和偏置電路），并且與數字CAN報文解碼器相互結合，以便實現輸入CAN報文的解碼。然后，輸入CAN報文與預先選擇的報文進行比較，收發器喚醒，并且驅動ECU恢復運行。

　　此外還面臨著多種EMC挑戰，盡管汽車中存在射頻干擾和電氣瞬變，CAN幀仍然需要正確解碼。只有電路在極低電流下運行（大約十分之一微安），才能實現整體500微安的功耗目標，這變成了一項真正的實施挑戰。

　　下圖所示為CAN局部網絡功能的典型結構圖，采用市場標準引腳配置?；疑娇蚴荂AN PN運行期間工作的部分，總計所需電流低于500微安。

        執行局部網絡功能的CAN收發器結構圖

　　下表歸納了日后CAN收發器升級版的CAN FD的主要技術限制和影響。

　　技術匯總

　　在正常運行時，如ISO11898-2中所述，主要影響在于滿足EMC技術規范的前提下， 滿足CAN FD時不會降低相應的要求。

　　在局部網絡運行中，如ISO11898-6所述，CAN FD不可干擾CAN輸入報文檢測，CAN PN收發器應當是“被動的可變速率”的。通過恰當檢測CAN幀間間隔且適當區分快速數據段，可以達到上一目標。

　　常規數據幀和可變速率幀的對比

        創新的反向集成

　　抗輻射和抗干擾、ESD穩健性、低功耗和CAN高速通信的更高波特率之間獲得理想的權衡取舍，需要通過對模擬IC的每一種物理現象加以深入分析才能實現，正確的數據交互也同樣如此。

　　市場向更高波特率的演變需求對期間的抗輻射和抗干擾水平產生了影響。這些要求需要在前期定義時就加以考慮，以便在提高性能的同時，不會降低可靠性。

　　飛思卡爾MC33901和MC34901 CAN FD收發器芯片擁有的高可靠性、極低的待機功耗，使得它在眾多產品中獨樹一幟。飛思卡爾CAN物理層收發器擁有四個不同的型號，可以解決汽車（MC33901）和工業（MC34901）市場的各種挑戰，提供配置或不配置總線喚醒選項（W版或S版）。

　　關于CAN PN，物理層需要模擬收發器的結構具有很低的功耗，這樣可以抵御外部潛在的噪音干擾。再次聲明，噪聲模型與設計架構之間的一致性可以支持物理層擁有同樣水平的EMC性能前提下，降低物理層收發器的功耗。

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