CAN 收發(fā)器的聚合挑戰(zhàn)，飛思卡爾有妙招 - 全文

　　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(shì)，一種趨勢(shì)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(shì)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(shí)又將它們相互結(jié)合，以便應(yīng)對(duì)這兩種趨勢(shì)，最終各種需求和限制因素歸結(jié)為物理層的實(shí)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(chǎng)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(shì)。與此同時(shí)，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?yàn)橛羞@類需求的其它市場(chǎng)（例如工業(yè)市場(chǎng)）帶來極大的效益。

　　每一種創(chuàng)新都有助于確保并且增強(qiáng)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(tái)。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(gè)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(chǎng)都采用了CAN拓?fù)浼夹g(shù)。CAN最初的開發(fā)目的是為了支持汽車市場(chǎng)，隨著獲得汽車5大領(lǐng)域（動(dòng)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(jī)械——ISO 11783，又稱Isobus、航天系統(tǒng)——Arinc 825/6、移動(dòng)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(dòng)化應(yīng)用）。

　　到2015年將會(huì)達(dá)到20億個(gè)節(jié)點(diǎn)（80%的節(jié)點(diǎn)屬于汽車市場(chǎng)，其它屬于工業(yè)市場(chǎng)），CAN會(huì)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(duì)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(chǎng)細(xì)分，單位百萬（2015年）

　　CAN的優(yōu)勢(shì)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(cè)試（電氣和EMC/ESD），大幅提高了物理層對(duì)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(qiáng)健。

　　這種標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程有利于CAN總線技術(shù)在市場(chǎng)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(shì)，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(chǔ)并檢查ECU喚醒。其次，另一個(gè)問題便是需要提高帶寬，CAN FD確保了在傳輸期間實(shí)現(xiàn)更快的波特率和更高的數(shù)據(jù)量。

　　提高網(wǎng)絡(luò)級(jí)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(chǎng)的需求，而且需要將各種架構(gòu)加以整合，以便維持強(qiáng)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(yùn)行速率達(dá)到1 Mb/s，但它們會(huì)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(diǎn)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(kuò)大傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量，同時(shí)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(shí)確保運(yùn)行現(xiàn)有的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)（長度、存節(jié)點(diǎn)、終端概念）。

　　在最初發(fā)布時(shí)，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(yùn)行速率可高達(dá)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(duì)CAN收發(fā)器實(shí)施一定的優(yōu)化，最終大幅改變收發(fā)器的理念或設(shè)計(jì)，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(hào)完整性和CAN信號(hào)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(gè)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?cái)?shù)據(jù)通過更高波特率傳輸，這會(huì)導(dǎo)致諧波“移動(dòng)”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(jì)改進(jìn)，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(shí)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(cè)量獲得。在CAN FD2 Mb/s的速率下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的頻率“位移”清晰可見。

　　MC33901在速率為500 kps和2 Mbps時(shí)的CAN干擾對(duì)比

        為了保持汽車市場(chǎng)的EMC等級(jí)要求，需要對(duì) CAN驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行優(yōu)化，CAN FD 的傳輸速率達(dá)到2MB/s是第一步，以后還會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。

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　　CAN可靠性

　　CAN物理層收發(fā)器的一個(gè)重大性能革命在于它實(shí)現(xiàn)了自身抵御系統(tǒng)噪聲的干擾，無論有無外部的保護(hù)器件。在定義CAN物理層時(shí)需要考慮多種規(guī)范的需求。

　　為了解決這些挑戰(zhàn)，在 （EME、EMI、ESD） 領(lǐng)域，利用先進(jìn)的混合信號(hào)和電源技術(shù)SMARTMOS 8工藝，已經(jīng)開發(fā)出一系列豐富多樣的創(chuàng)新，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的提升，并且無需外部扼流圈保護(hù)便可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

　　抗干擾設(shè)計(jì)：

　　CAN網(wǎng)絡(luò)如同吸收電磁噪聲的天線，它通過類似電動(dòng)機(jī)、電磁閥、繼電器這樣負(fù)載切換或者通過外部來源生成。在CAN通信期間，當(dāng)施加電磁噪聲時(shí)，信號(hào)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(cè)試模擬以驗(yàn)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(shù)據(jù)的傳輸和接收的信號(hào)應(yīng)該在一定范圍內(nèi)震蕩。隨著傳輸速率的提高，數(shù)據(jù)的保持時(shí)間會(huì)減少，所能接受的信號(hào)震蕩容限范圍會(huì)隨之降低這需要CAN收發(fā)器具備出色的EMC性能。

　　下圖為EMC測(cè)試原理的簡化圖，通過耦合電容器施加射頻干擾，同時(shí)收發(fā)器向總線傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)控收發(fā)器RxD信號(hào)，并與信號(hào)模板對(duì)比，它包含了允許的電壓和時(shí)序偏差（抖動(dòng)）的典型信號(hào)。這種波動(dòng)會(huì)變得越來越小，以適應(yīng)CAN FD的運(yùn)行。

　　EMC測(cè)試設(shè)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(shè)計(jì)流程，包括準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和布局指南、豐富的模塊級(jí)和頂層單元級(jí)仿真以及EMC仿真內(nèi)部運(yùn)行中包括了工藝和溫度變量在內(nèi)的各種模型，從而針對(duì)技術(shù)規(guī)范確保一定程度內(nèi)的余量。由此，這些設(shè)計(jì)的改進(jìn)確保了CAN信號(hào)完整性，支持信號(hào)注入量達(dá)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(jīng)過優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)更高波特率的運(yùn)行。這種物理層設(shè)計(jì)的演變對(duì)抗干擾性產(chǎn)生了影響，允許的抖動(dòng)窗口變得越來越小。噪聲敏感度也因此增強(qiáng)，設(shè)計(jì)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(shí)的直接功率注入CAN，2 Mb/s

        憑借高ESD性能提高系統(tǒng)可靠性：

　　物理層有專門的設(shè)計(jì)用于承受IC級(jí)和系統(tǒng)級(jí)定義的最嚴(yán)格ESD標(biāo)準(zhǔn)。它通過了AEC Q-100文檔中的規(guī)定ESD測(cè)試：人體模型（HBM） +-10 kV、機(jī)器模型（MM） +-200 V和帶電設(shè)備模型（CDM） +-750 V。此外，物理層經(jīng)過優(yōu)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(tǒng)級(jí)壓力測(cè)試。

　　ESD GUN可以用于重現(xiàn)人體處理電子系統(tǒng)子部件或者接觸汽車/設(shè)備結(jié)構(gòu)時(shí)靜電放電的影響。測(cè)試物理層所用的標(biāo)準(zhǔn)為ISO10605:2008、EN 61000-4-2:2008技術(shù)規(guī)范，IC上電和未上電。在集成電路開發(fā)階段必須考慮到所有這些標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槊恳环N標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置變量都會(huì)導(dǎo)致不同的抗壓特性。

        系統(tǒng)級(jí)到組件級(jí)的ESD技術(shù)規(guī)范

　　CAN H和CAN L引腳具有強(qiáng)大的抗靜電電壓等級(jí)，可以預(yù)防直接施加在引腳級(jí)的系統(tǒng)級(jí)壓力，無論帶或不帶外部保護(hù)。為了獲得這樣的高性能（25 kV），采用了SEED ［7］方法（系統(tǒng)高效ESD設(shè)計(jì)推廣一種板載和片上芯片ESD保護(hù)的IC/OEM協(xié)同設(shè)計(jì)方法，從而獲得系統(tǒng)級(jí)ESD）。下表歸納了一個(gè)飛思卡爾CAN高速物理層的ESD性能實(shí)例。

　　ESD性能匯總

　　高ESD和DPI的性能組合是對(duì)能量吸收的挑戰(zhàn)，同時(shí)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(tǒng)ESD壓力測(cè)試，同時(shí)對(duì)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(yōu)的裸片區(qū)域內(nèi)。所有這些創(chuàng)新構(gòu)成物理層進(jìn)一步集成（系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）、ASSP、ASIC）的可靠性的基礎(chǔ)。這些限制條件相互組合，是IC架構(gòu)的基礎(chǔ)所在，從而成功通過最終驗(yàn)收。

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　　CAN和能源效率

　　由于CAN標(biāo)準(zhǔn)的演變和創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的電流和功耗管理。在汽車中未使用時(shí)通過禁用和激活低功耗模式，可以降低和優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗。當(dāng)然在必要情況下，ECU應(yīng)當(dāng)恢復(fù)運(yùn)行。

　　如圖所示，可以分析2個(gè)ECU、汽車泊車輔助和電子泊車制動(dòng)的運(yùn)行。當(dāng)汽車的運(yùn)行速度超過一定數(shù)值時(shí)（比如數(shù)千公里/小時(shí)），這些ECU就不再需要工作了。此時(shí)，這些ECU可以自行設(shè)置為低功耗模式，它們通過CAN網(wǎng)絡(luò)和CAN報(bào)文接收車輛速度。當(dāng)速度大于預(yù)先設(shè)定的閾值，這些ECU可以主動(dòng)設(shè)置為低運(yùn)行模式，禁用或關(guān)閉線路板組件（例如MCU或負(fù)載驅(qū)動(dòng)器）的電源。只需最少的IC保持激活狀態(tài)，用于監(jiān)控CAN總線流量并檢測(cè)特定的CAN報(bào)文或CAN的部分報(bào)文，它可以指示何時(shí)給暫停運(yùn)行的IC重新上電，以便指示這些ECU它們應(yīng)該恢復(fù)運(yùn)行。

　　這有助于汽車整體功耗的降低和優(yōu)化。

　　可以通過在與CAN總線相連的CAN收發(fā)器內(nèi)部執(zhí)行CAN報(bào)文檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)這種操作。這被稱為CAN局部網(wǎng)絡(luò)或CAN選擇性喚醒。

　　挑戰(zhàn)在于，通過極低功耗（目標(biāo)低于500 uA）能夠解碼輸入的CAN幀，在CAN物理層內(nèi)以最低成本獲得完整的局部網(wǎng)絡(luò)，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(nèi)部的CAN控制器采用極為準(zhǔn)確的時(shí)鐘，其測(cè)量的精度和偏差均可達(dá)到ppm級(jí)。顯然，這樣的時(shí)鐘精度在硅片中還不能實(shí)現(xiàn)。

　　然而，CAN報(bào)文和解碼只需要“百分比”量程的時(shí)鐘。因此，憑借創(chuàng)新的技術(shù)和解決方案，這些方案可在混合信號(hào)硅工藝中完成，CAN報(bào)文的集成可以實(shí)現(xiàn)，從而用于CAN收發(fā)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(zhǔn)電壓和偏置電路），并且與數(shù)字CAN報(bào)文解碼器相互結(jié)合，以便實(shí)現(xiàn)輸入CAN報(bào)文的解碼。然后，輸入CAN報(bào)文與預(yù)先選擇的報(bào)文進(jìn)行比較，收發(fā)器喚醒，并且驅(qū)動(dòng)ECU恢復(fù)運(yùn)行。

　　此外還面臨著多種EMC挑戰(zhàn)，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(yùn)行（大約十分之一微安），才能實(shí)現(xiàn)整體500微安的功耗目標(biāo)，這變成了一項(xiàng)真正的實(shí)施挑戰(zhàn)。

　　下圖所示為CAN局部網(wǎng)絡(luò)功能的典型結(jié)構(gòu)圖，采用市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)引腳配置。灰色方框是CAN PN運(yùn)行期間工作的部分，總計(jì)所需電流低于500微安。

        執(zhí)行局部網(wǎng)絡(luò)功能的CAN收發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

　　下表歸納了日后CAN收發(fā)器升級(jí)版的CAN FD的主要技術(shù)限制和影響。

　　技術(shù)匯總

　　在正常運(yùn)行時(shí)，如ISO11898-2中所述，主要影響在于滿足EMC技術(shù)規(guī)范的前提下， 滿足CAN FD時(shí)不會(huì)降低相應(yīng)的要求。

　　在局部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，如ISO11898-6所述，CAN FD不可干擾CAN輸入報(bào)文檢測(cè)，CAN PN收發(fā)器應(yīng)當(dāng)是“被動(dòng)的可變速率”的。通過恰當(dāng)檢測(cè)CAN幀間間隔且適當(dāng)區(qū)分快速數(shù)據(jù)段，可以達(dá)到上一目標(biāo)。

　　常規(guī)數(shù)據(jù)幀和可變速率幀的對(duì)比

        創(chuàng)新的反向集成

　　抗輻射和抗干擾、ESD穩(wěn)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(quán)衡取舍，需要通過對(duì)模擬IC的每一種物理現(xiàn)象加以深入分析才能實(shí)現(xiàn)，正確的數(shù)據(jù)交互也同樣如此。

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

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

　　關(guān)于CAN PN，物理層需要模擬收發(fā)器的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)架構(gòu)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(fā)器的功耗。

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