【导读】CAN总线(Controller Area Network)是上世纪80年代开发的一种串行通讯总线。由于其高性能、易用性及高可靠性而被广泛应用于汽车、工业控制等行业。但随着汽车电子、工业自动化的蓬勃发展，总线上的设备数量、通讯数据量都大大增加，使得传统HS-CAN (High Speed CAN)的500kbps(最高1Mbps)传输速率受到了极大的挑战。
为满足更高的带宽及数据吞吐量，CANFD (CAN Flexible Data-rate)应运而生。本文主要介绍了随着CAN总线通讯速率提升而带来的一些新的挑战，以及英飞凌所提供的低成本针对性解决方案。
英飞凌技术专家 James Liu
CAN总线发展历程
1. HS-CAN
在上世纪80年代，随着汽车电气化进程，车内ECU (Electric Control Unit) 数量越来越多，使得各模块之间通讯的网络拓扑结构越来越复杂，线束重量及成本也越来越高。在此需求下，CAN总线被开发出来取代昂贵而笨重的通讯线束。它使用两条双绞线来传输信号，可以1Mbps的速率在40米的距离上传输信号。1991年CAN总线技术规范(Version 2.0)制定并发布。1993年ISO组织正式公布CAN国际标准ISO11898，除了CAN协议外，它还标准化了物理层定义。
2. CANFD
随着实际应用中HS-CAN总线负载率越来越高，有些车厂甚至总线负载率高达95%，更高速率的CANFD应运而生。CANFD继承了CAN的绝大多数特性，如同样的物理层，仲裁机制等。并且CANFD能向下兼容HS-CAN。对比传统的HS-CAN总线，CANFD有两方面的升级：
● 支持可变通讯速率 – 最大5Mbps ~ 8Mbps
● 支持更长的数据长度 – 最长64 byte数据
● 2015年ISO组织已经正式认可CANFD，并通过了更新的ISO11898-1标准。
3. CANXL
展望未来，关于下一代CAN是什么样子的讨论也在激烈进行中。在2020年第17届国际CAN大会上CiA协会(CAN in Automation)介绍了第三代CAN通信技术CAN XL (CAN Extra Long)。其数据场长度提升至最高2048 byte，速率进一步提升至10Mbps甚至20Mbps。关于CANXL物理层的定义还在进行中，英飞凌为此已开发完成相应IP及内部测试用芯片，为将来推出适合市场需求的CANXL收发器做好准备。
信号的反射与干扰 — 振铃
信号振铃现象在CAN通讯中是普遍存在的，尤其在星型拓扑结构中当总线电平由显性状态切换到隐性状态时更容易产生。
更高的通讯速率意味着更窄的位宽时间，当前CANFD的2Mbps相比以前HS-CAN的500kbps位宽时间由2000ns缩短为500ns。同样强度的振铃干扰，在更高的通讯速率下，由于得不到足够的时间衰减到隐性差分电压判定阈值以下，从而更容易导致通讯错误。如图显示是同一网络拓扑结构同一节点，分别发送500kbps和2Mbps的CAN信号时的波形对比。
为了减少振铃效应，目前的主流做法是缩小CAN网络规模，减少节点数，缩短支线长度，尽量使用线性拓扑结构(linear topology)等。这些措施确实能有效减小振铃强度，但是也带来了一些缺点：
● 增加了CAN总线数量，例如将一条10个节点的总线拆分成两条5个节点的总线；
● 增加了网关(gateway)的需求，以应对更多不同总线之间的信息交互；
● 缩短支线长度，变更拓扑结构等措施，与整车模块布局相冲突。
振铃抑制—CANSIC信号改善收发器
为应对以上困难和挑战，英飞凌推出了CANSIC (CAN Signal Improvement Capability)信号改善收发器—TLE9371SJ & TLE9371VSJ。该收发器能从发送端有效控制振铃强度，减少信号振铃效应，提升总线信号质量。当总线需要从显性状态切换到隐性状态时，TLE9371首先会控制总线电平的切换斜率，这一功能在改善EMC表现的同时也适当降低了振铃强度。在此之后的300ns内TLE9371将总线控制在低阻抗状态，从而彻底吸收振铃能量。
TLE9371与现有的DSO8封装CAN/CANFD收发器可简单实现pin to pin兼容，使得客户即使在研发中后期才发现振铃问题点，也能比较轻松的升级收发器解决振铃问题。如图显示是同一网络拓扑结构同一节点，分别使用普通CANFD收发器和CANSIC收发器发送2Mbps的CAN信号时的波形对比。
结语
作为业内主要的车载网络方案供应商，英飞凌有完整的CAN收发器产品家族：
● 通讯速率从1Mbps至5Mbps，随着TLE9371的问世进一步提升至8Mbps
● 工作模式涵盖：普通(basic CAN), 待机(Standby CAN)，睡眠(Sleep CAN)，局部网络(PN CAN)
● 产品封装：8 pin, 14 pin, DSO封装，TSON封装
● 温度等级：grade-1 (-40~125℃)，grade-0 (-40~150℃)
CANSIC信号改善收发器TLE9371，补足了产品家族中高带宽及振铃抑制这一部分，能有效降低系统设计成本，简化大型网络的设计难度。该技术从物理层保证CANFD协议得到有效可靠的传输，并且没有副作用，为5Mbps及8Mbps的CANFD应用铺平道路。
英飞凌的TLE9371系列CANSIC收发器已于2023上半年实现量产。
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