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

多年来，设计人员一直依赖控制器局域网络 (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。不过，随着板载网络节点数量的增加，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随之攀升，而所有这些都要受到更为严格的尺寸、重量和成本限制。尽管如此，许多设计人员仍然不愿更改网络拓扑，不过由于业内逐步稳定改进 CAN 规格和相关 IC 解决方案，设计人员也就不必更改网络拓扑了。

转至另一网络拓扑并非易事，因为这样不但会让先前的投资打水漂，而且还有可能因设计人员要进行相关学习而导致设计延迟。但是 CAN 规格增强可避免这种情况，例如通过 CAN 灵活数据速率 (FD) 获得更高的吞吐量，使用局部网络等技术来处理泄漏和干扰，使用更严格的时序余裕来确保较高数据速率下的可靠通信，以及增强的安全性。

此外，CAN 收发器供应商现使用集成度更高的解决方案来响应设计要求，其中集成了 CAN 增强功能，从而可以更好地服务于高级辅助驾驶系统 (ADAS)、传动系统和信息娱乐等新兴应用。

本文简要论述了 CAN 及其增强功能，包括设计人员如何管理向更高级迭代（如 CAN FD）的转换。文中还将介绍合适的 CAN 解决方案，以及如何使用它们来实现更快的数据速率、更高的可靠性和更强的安全性。

CAN 灵活数据速率

如今，车辆板载电子设备日益增多，设计人员需要更高的性能，不过他们的解决方案并非是转至完全不同的网络，而是利用 CAN 增强功能，首先便是 CAN FD。这样可提供高达 5 Mb/s 的速率，而 ISO 11898 标准中定义的原始 CAN 规格为 1 Mb/s（最大值）。该数据速率限制迫使汽车设计人员要在车内添加更多 CAN 网络设备和连接，如此一来，便不可避免地会增加布线、功率损耗和重量。

CAN FD 标准解决了带宽难题，同时实现了额定条件下 2 Mb/s 的数据速率，以及编程模式下 5 Mb/s 的数据速率。此主要 CAN 增强功能修改了帧率，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（图 1）。

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

随着增添了摄像头和传感器（包括用于高级辅助驾驶系统 (ADAS) 的产品），通过车载网络传输的数据量开始不断增加。虽然速度更快的 CAN FD 网络可提供些许助力，但开发它们时需要更高的精度。例如，在更高的数据速率下，用于稳定位值的可用余裕会迅速缩小，从而增加了出错的可能性，并破坏了 CAN 的固有可靠性。

当然，还会出现一些其他问题，例如 CAN 网络内的高速数据传输可能产生干扰漏电电流。此外，如果 CAN FD 系统搭配传统 CAN 实施，则将会面临一项重大挑战，即如何确保不因混合网络布局而发生错误。

为帮助解决其中一些问题，Microchip Technology 推出了 MCP2561/2FD 高速 CAN 收发器。该器件可提供与其前代产品 MCP2561/2 相同的核心功能，并增加了已获保证的环路延迟对称，因此可支持 CAN FD 所需的更高数据速率（图 2）。如此一来，就可进一步减小最大传播延迟，从而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)。

图 2：MCP2561/2FD CAN 收发器可确保环路对称，从而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 标准的局部网络机制。局部网络可支持选择性唤醒功能和自动总线偏置，从而确保实现从传统 CAN 到高速 CAN FD 系统的平稳转换。

例如，NXP Semiconductors 的 TJA1145 高速 CAN 收发器可支持高达 2 Mb/s 的数据速率，并通过名为 FD Passive 的选择性唤醒功能集成局部网络。该器件能让无需传递 CAN FD 消息的常规 CAN 控制器在 CAN FD 通信期间保持休眠/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，局部网络将弥补传统 CAN 和 CAN FD 之间的差距。

NXP 还提供 CAN FD Shield 技术，该技术使用高精度振荡器动态过滤 CAN FD 信息。与局部网络一样，采用 FD Shield 功能的 CAN 收发器可直接替代现有的收发器，因此无需更改软件。NXP 已采用汽车开放系统架构 (AUTOSAR) 完成对其 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。

采用更小型 CAN 收发器提供总线保护

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 成本及缩减电路板空间。但是，这些器件彼此间的距离以及与其他敏感电子元件的距离非常靠近，所以必须小心谨慎，确保它们不会引起干扰或易受干扰。由此看来，电磁干扰 (EMI) 和抗噪性是两大重要特性。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) 器件来应对 ESD 和 EMI 问题。

有关适用于 CAN 总线的 TVS 重要主题的更多信息，请参阅“设计导入 TVS 二极管保护以增强 CAN 总线可靠性”。

不过，汽车设计人员也在想方设法降低 CAN 设计的重量和成本。例如，Texas Instruments 的 TCAN1042 和 TCAN1051 收发器已经去掉了扼流圈，这样既能减少元器件数量，同时也能符合严格的抗噪性要求（图 3）。

图 3：TCAN1042 CAN 收发器提供了保护功能，可增强 CAN 稳健性，且适用于汽车 HVAC 控制模块和射频智能遥控装置等应用。（图片来源：Texas Instruments）

在 CAN 系统中，防止高总线故障和静电放电 (ESD) 至关重要，这些系统现可满足 12 伏、24 伏和 48 伏车载电池以及 24 伏工业电源的要求。它可以保护 CAN 总线引脚免受短路至直流电压的影响，并且能更好地匹配输出信号。

TCAN1042 和 TCAN1051 收发器可提供高达 ±15 千伏 (kV) 的 ESD 保护，这可能会避免 TVS 二极管的使用。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，其中该评估模块还提供了有关 CAN 总线端接、CAN 总线滤波和保护概念的信息。

CAN 的下一个目标：安全性

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，如果单个 ECU 的安全性受损，可能会使整个车辆容易受到入侵。要保护 CAN 通信，一个广为人知的方案是依据信息验证代码 (MAC) 机制，其中该机制采用了加密和复杂密钥管理。但是，对 CAN 消息加密会增加 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，进而实现安全的 CAN 通信。

最近的 CAN 收发器机制就更为简单了，其可以避免带宽开销、延迟和处理负载。这些安全的 CAN 收发器可以过滤消息 ID，因此如果受影响的 ECU 尝试发送带有非原始分配 ID 的消息，则收发器可以拒绝将其发送到 CAN 总线（图 4）。CAN 收发器除了防止欺骗企图外，还可以通过使来自受影响 ECU 的消息失效，防止篡改和洪泛攻击。

图 4：为了在保护 CAN 网络的同时减少延迟和带宽要求，最新的收发器会对消息 ID 进行过滤。（图片来源：NXP Semiconductors）

这些 CAN 收发器能够防止洪泛、欺骗和篡改，而不需要使用加密技术。如果消息在总线上失效且具有活动错误标志，则它们可以检测到网络事件。接着，安全 CAN 收发器会暂时断开本地主机与 CAN 总线的连接。

不过，如果没有检测到安全威胁，CAN 收发器可以像标准高速 CAN 收发器那样工作。换言之，这些安全 CAN 收发器可以直接替代类似封装中的标准 CAN 收发器。

诸如 NXP 这类的供应商在此所做的是，完全在硬件中实现安全功能，允许 CAN 收发器独立于 CAN 控制器执行安全性操作。这样一来，便可避免对 ECU 进行软件更改以及 ECU 操作中断的相关风险。

此外，安全 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，因此可充当入侵检测系统。

总结

CAN 总线的使用可追溯至 1983 年，但正如本文所示，它可以很好地满足汽车电子设计人员的通信要求。首先，CAN 收发器正在不断改造中，以实现向高速 CAN FD 网络的转换。其次，CAN 收发器通过消除共模扼流圈和 TVS 二极管等外部元器件，不但提高了可靠性，同时还降低了 BOM 成本，并缩小了设计尺寸。最后，CAN 收发器能够起到保护 CAN 总线的作用，它可将安全功能嵌入收发器硬件中。后者不仅可以保护 CAN 总线，还可以保护未来互连汽车的安全。