汽车电子升级支持CAN FD协议需要更高集成度的系统基础芯片(SBC)

为什么要升级到CAN FD？

自1986年博世（Bosch）提出CAN(Controller Area Network，控制器域网络)通信和总线协议方案以来，这种高速、可靠且易用的通信总线就一直在汽车电子领域广泛应用，用于连接需要进行微处理器通信的分布式应用。经过20多年的发展与沉淀，CAN通信目前已经成为车载网络领域最成熟、应用最广泛的通信总线之一。除汽车应用外，CAN也已经广泛应用于工业控制、现场总线、电器、航空航天等市场。这种协议的简单性源于这样一个事实，即大部分繁重的工作都是在CAN控制器外围设备的硬件中完成的。总线拓扑的灵活性也有助于其广泛的采用。

随着ADAS、电动化、联网和无人驾驶技术的快速发展，汽车电子对数据传输的带宽和速度要求越来越高，传统的CAN总线在传输速率和带宽等方面越来越显得力不从心，因此CAN总线的改进就自然提上日程了。CAN FD（CAN with Flexible Data rate）于2015年成为国际标准化ISO 11898系列，开始步入快速发展时期。相比“经典”CAN协议，CAN FD具有两大优势：

• CAN FD采用可变速率，可达5Mb/s，而传统的CAN协议只有1Mb/s;
• 能够支持更高的负载，在单个数据框架内传送率可达64字节，避免了经常发生的数据分裂状况。

CAN-FD通信时会用到两种通信波特率，因此对“FD”可解释为灵活的数据速率(Flexible Data rate)。另一个新的功能是减少控制位的开销。目前CAN 2.0标准最大8个字节的数据，CAN-FD数据位最大的字节数提高至64位，CAN-FD具有更高的有效传输负载。例如：CAN-FD总线以2Mbit/s的速率、64位数据与CAN 250Kbit/s、8位数据传输对比，很明显在相同时间下，CAN-FD的有效传输负载是CAN传输负载的8倍。

此外，CAN-FD标准向下兼容CAN 2.0 A/B标准，CAN-FD节点也可以与现存的CAN 2.0协议的节点进行通信。这种兼容性可确保CAN 2.0设备能够平滑地过渡到CAN-FD功能的硬件上。

据HIS预计，2019年中国将有8%的新车装备支持CAD FD总线的系统，而这些系统中大量采用的雷达、超声波等感应元器件，需要高速、可靠和稳定的车载网络接入到系统中，而这正是CAN FD的优势所在。除了传统的汽车领域，CAN系列总线在工业自动化领域也有着广泛的应用，比如数控机床、机器人和伺服电机等，每年全球安装8亿以上的CAN节点。CAN FD的推出，在继承CAN总线优势的基础上，将为用户带来更快更好的使用体验。

尽管CAN FD可为汽车电子网络系统的设计师带来诸多好处，但要从现有的CAN升级到CAN FD也面临很多挑战。很多微控制器并没有集成CAN FD支持功能，需要在设计中增加多个分立器件才能创建CAN FD接口。即便一些新的微控制器内置CAN FD控制器功能，但要升级和更换微控制器，还要增加CAN FD收发器，也会增加额外的成本和PCB空间。下图是现在的典型CAN/CAN FD配置简化机构，即使增加单独的CAN FD控制器和收发器，也只能工作于CAN模式。

什么是系统基础芯片(SBC)？

在汽车电子设计中，SBC是指系统基础芯片，即将CAN或本地互联网络(LIN)收发器与内部/外部“功率器件”集成在一个芯片上。所集成的功率器件可以是低压差线性稳压器（LDO）、DC/DC转换器或两者兼用。当设计师需要更多输出功率，或选择需要收发器和离散式LDO或DC/DC转换器的离散式解决方案时，SBC是理想的选择。

虽然SBC并非新的芯片产品类型，但近几年在集成和性能方面的创新拓展了这类芯片的使用范围。更高的集成度和可靠性使汽车设计师可以实现质量更轻且成本更低的设计。从经典CAN向CAN FD升级就要求相应的解决方案能够弥补CAN FD控制器与微处理器之间的差距，同时也要能够增加经典CAN/CAN FD总线的数量。

CAN或LIN收发器提供其相应技术的输入和输出。一旦收到数据包，这些收发器就会将数据传送给微控制器或微处理器进行进一步的操作。反之，它们会从同一处理器接收信息，经由相关总线进行出站通信。

尽管CAN和LIN收发器在本质上看是相当基础的技术，但芯片供应商持续添加更多功能，在力求增加保护功能的同时，削减设计的复杂性、空间和成本。这些功能通常包括总线故障保护和静电释放保护，以及通过1.8V - 3.3V 或 1.8V - 5V输入/输出（也称为V_IO）与处理器往返数据的能力。

下面我们以TI最新发布的TCAN4550-Q1为例来说明基于LDO的SBC功能特性，不过同样的概念也适用于具有更高输出的DC/DC转换器。TCAN4550-Q1在单一封装内同时集成了CAN FD控制器、CAN FD收发器和LDO，它串行外围接口（SPI）与微控制器或微处理器通信，可为汽车电子设计增添CAN FD的先进功能。下图是带LDO的TCAN4550-Q1如何连接到微处理器的基本方框图。

该器件提供的其它功能包括V_IO（1.8V、3.3V和5V支持）、唤醒、休眠，以及在非正常可用情况下支持处理器功能的超时看门狗等。其集成式LDO可提供125 mA电流，其中约50 mA用于为CAN FD收发器供电，还有70 mA的输出可为嵌入式微控制器或其它器件供应电流。

通过TCAN4550-Q1升级到CAN FD可以实现如下好处：

• 简化BOM和削减系统成本：设计师依托高度集成的SBC器件可以简化设计，包括集成式±58-V_DC总线故障保护、看门狗计时器及故障切换模式。
• 便捷地在汽车设计中扩展总线：如果微控制器的CAN FD端口数量有限，设计师还可以使用这款芯片经由汽车系统中现有的SPI端口添加更多的CAN FD总线。
• 更小的电源设计占用空间：凭借集成式125 mA低压差（LDO）线性稳压器，该器件可以为自己供电，此外，还能够为传感器或其它组件供应70 mA的外部输出。由于减少了对外部电源组件的需要，电源设计所占的空间也因此变小。
• 降低功耗：帮助设计师藉由唤醒和休眠功能降低待机时的系统功耗。
• 提高最大数据传输率：这种新的SBC支持汽车在组装期间能够以8 Mbps最高数据传输率来更快速地编写汽车软件程序，超越了CAN FD协议要求的5 Mbps最高数据传输率。