運用最新的 CAN 匯流排增強功能，實現安全可靠的高速汽車通訊

設計人員多年來都是倚賴控制器區域網路 (CAN)，在汽車的各種子系統和電子控制單元 (ECU) 之間進行可靠的通訊。但隨著板載網路節點數量的增加，所需的資料傳輸量以及對更低延遲和更高階安全性的需求也隨之攀升，而全部都要受到更為嚴格的尺寸、重量和成本限制。儘管如此，許多設計人員依然不傾向改變網路拓撲。隨著 CAN 的規範以及相關的 IC 解決方案持續穩定改善，他們終於能得償所願。

改用不同的網路拓撲是件很難的事，因為先前投入的心血會付諸流水，而且設計人員需要學習適應，設計速度可能會延緩但 CAN 規範的改善能避免這個問題。例如，CAN 彈性數據傳輸率 (FD) 可提供更高的傳輸量，使用局部網路等技術可處理洩漏以及干擾，使用更嚴格的時序餘裕可確保在更高的數據傳輸率下仍能可靠通訊，以及提升安全性。

此外，CAN 收發器的供應商透過更多整合的解決方案來應對設計需求，這些解決方案結合了 CAN 增強功能，可更好地服務於新興應用，例如先進駕駛輔助系統 (ADAS)、傳動系統以及車用資訊娛樂系統。

本文將簡要探討 CAN 及其增強功能，包括設計人員如何管理向更先進迭代 (例如 CAN FD) 的轉換。此外，本文還將介紹適合的 CAN 解決方案，以及如何使用這些解決方案獲得更快的數據傳輸率，以及更高的可靠性和安全性。

CAN 彈性數據傳輸率

現今的汽車搭載了更多的電子元件，而設計人員需要更高的效能，但他們不是改用完全不同的網路，而是可以充分利用 CAN 增強功能，首先便是 CAN FD。其速度規格高達 5 Mbit/s，而 ISO 11898 標準中定義的原始 CAN 規格僅為 1 Mbit/s (最大值)。此數據傳輸率限制，迫使汽車設計人員必須在車輛中加入更多 CAN 網路元件與連線，而這勢必會增加佈線量、功率損耗及重量。

CAN FD 標準將標稱條件下的數據傳輸率提升到 2 Mbit/s，編程模式下則為 5 Mbit/s，解決了頻寬方面的困境。這項主要的 CAN 增強功能已修改了畫格速率，將資料欄從 8 位元組提升到 64 位元組，能有效地支援資料密集型應用 (圖 1)。

圖 1：2012 年更新的 CAN FD 標準，將酬載中的最大資料位元組數量從 8 位元組提升到 64 位元組。(圖片來源：Microchip Technology)

從傳統的 CAN 轉換到 CAN FD

隨著 ADAS 先進駕駛輔助系統等添加使用的攝影機與感測器，透過車載網路傳輸的數據量也會不斷地增加。雖然更高速的 CAN FD 網路能幫得上忙，但在開發期間需要更高的精確度。例如，在更高的數據傳輸速度下，用於穩定位元值的餘裕會快速減少，因而增加出錯的可能性，並影響 CAN 本身的可靠性。

此外，還有其他的問題，例如 CAN 網路中的數據傳輸速度較快，可能會產生干擾漏電流。另外，如果傳統的 CAN 與 CAN FD 系統搭配使用，混合式的網路配置很難不引入錯誤。

Microchip Technology 推出 MCP2561/2FD 高速 CAN 收發器，可因應其中的一些問題。此元件主要的核心功能，和前一代的 MCP2561/2 相同，但還加入了有保障的迴路延遲對稱性，以支援 CAN FD 所需的更高數據傳輸率 (圖 2)，進而會降低最大傳播延遲，以支援更長的網路連線，並增加 CAN 匯流排上的節點數量。具體來說，MCP2561/2FD CAN 收發器的最大傳播延遲為 120 ns。

圖 2：MCP2561/2FD CAN 收發器確保迴路對稱性，能夠提供更長的網路連線，並增加 CAN 匯流排上的節點數量。(圖片來源：Microchip Technology)

Microchip 與其他的 CAN 收發器供應商，也正在實作符合 ISO 11898-2:2016 標準的局部網路機制。局部網路可支援選擇性喚醒功能以及自主匯流排偏壓，確保從傳統的 CAN 順利轉換至更高速的 CAN FD 系統。

例如，NXP Semiconductors 的 TJA1145 高速 CAN 收發器支援高達 2 Mbit/s 的數據傳輸率，並透過稱為 FD Passive 的選擇性喚醒功能整合局部網路能力。該元件能讓無需傳遞 CAN FD 訊息的一般性 CAN 控制器，在 CAN FD 通訊期間持續處於睡眠／待機模式，而不會產生匯流排錯誤。

所有的 CAN 控制器最終都必須遵守高速 CAN 匯流排標準，將所有的 CAN 匯流排節點轉為 FD Active 節點。但在此之前，局部網路會彌補傳統 CAN 和 CAN FD 環境之間的差距。

此外，NXP 還提供 CAN FD 擴充板技術。該技術使用高精確振盪器為 CAN FD 訊息進行動態過濾。與局部網路功能一樣，採用 FD 擴充板功能的 CAN 收發器，也為現有收發器提供立即可用的替代選項，因此不需要變更軟體。NXP 已通過汽車開放系統架構 (AUTOSAR) 對 FD 擴充板技術的評估，並正為各大汽車 OEM 廠商和一級供應商提供樣品。

利用更小型的 CAN 收發器提供匯流排保護

除了更快的數據傳輸率之外，設計人員還可以利用高度整合的 CAN 解決方案，來降低物料清單的成本並節省電路板空間。然而，這些元件彼此之間，以及與其他敏感的電子產品之間，通常都離得很近，所以必須注意不要讓其造成干擾或變得容易受到干擾。因此，抗電磁干擾 (EMI) 以及抗雜訊是兩個很重要的特性。CAN 收發器常使用離散濾波器、共模扼流圈和暫態電壓抑制 (TVS) 元件，來對抗以 ESD 和 EMI 為主的問題。

如需詳細瞭解有關在 CAN 匯流排中使用 TVS 的重要主題，請參閱《TVS 二極體保護設計可提升 CAN 匯流排可靠性》。

不過，汽車設計人員正不斷設法降低 CAN 設計的重量與成本。例如，Texas Instruments 的 TCAN1042 和 TCAN1051 收發器便已移除扼流圈，以縮減元件的數量，同時仍能符合嚴格的抗雜訊需求 (圖 3)。

圖 3：TCAN1042 CAN 收發器提供多種保護功能，可提升 CAN 的耐用度，並用於汽車 HVAC 控制模組和 RF 智慧型遙控器等應用中。(圖片來源：Texas Instruments)

在 CAN 系統中，防止高電壓匯流排故障及靜電放電 (ESD) 是相當重要的，因為 CAN 系統如今不僅要滿足汽車的 12 V、24 V 和 48 V 電池需求，還要滿足 24 V 工業用電源供應器的需求。這可避免 CAN 匯流排引腳受到 DC 電壓短路的影響，讓輸出訊號有更佳的匹配性。

TCAN1042 與 TCAN1051 收發器可提供高達 ±15 kV 的 ESD 保護，因此可能無需使用外部 TVS 二極體。此外，設計人員還可使用 TCAN1042DEVM 評估模組輕鬆快速地評估這些 CAN 收發器的效能，該模組還提供有關 CAN 匯流排端子、CAN 匯流排濾波和保護概念的資訊。

CAN 的下一個前沿：安全性

用於連結 ECU 的 CAN 型車載網路相當簡單易用。但是，如果單個 ECU 的安全性受損，就容易讓整部車受到駭客的攻擊。要保護 CAN 通訊，有一個廣為人知的方案，那就是採用使用加密與複雜金鑰管理技術的訊息驗證碼 (MAC) 機制。但是，對 CAN 訊息進行加密會加重 CAN 匯流排的負擔，並增加訊息延遲時間和功耗。此外，目前安裝的 CAN 控制器缺乏運算能力，因此很難升級車載網路，實現安全的 CAN 通訊。

新款的 CAN 收發器採用更簡單的機制，避免了頻寬開銷、延遲以及處理負載。這些安全的 CAN 收發器能過濾訊息 ID，因此若某個受到威脅的 ECU 嘗試傳送訊息，但訊息的 ID 原先並非指派給該訊息，收發器可以拒絕將訊息送到 CAN 匯流排 (圖 4)。除了阻止欺騙行為之外，CAN 收發器還能讓受威脅的 ECU 所發出的訊息失效，藉此避免竄改行為與洪水攻擊。

圖 4：為了減少延遲與頻寬需求並保護 CAN 網路，新款的收發器會對訊息 ID 進行過濾。(圖片來源：NXP Semiconductors)

這些 CAN 收發器能防禦洪水攻擊以及欺騙和竄改行為，而完全無需使用加密技術。若訊息在匯流排上失效，且有活動的錯誤標誌，這些元件便會偵測到網路安全事件。這些安全的 CAN 收發器隨即會讓本機主機暫時與 CAN 匯流排切斷連線。

但是，若未偵測到任何安全性威脅，這些 CAN 收發器的作用類似於標準的高速 CAN 收發器。換而言之，這些安全的 CAN 收發器能直接取代採用類似封裝的標準 CAN 收發器。

NXP 等供應商的作法是完全在硬體中實作安全功能，讓 CAN 收發器的安全作業獨立於 CAN 控制器執行。這麼一來，就不需要在 ECU 上變更軟體，也不會因此發生 ECU 運作中斷的情形。

此外，這些安全的 CAN 收發器還會保存紀錄檔，以報告匯流排上的安全事件。這些 CAN 收發器也能保護自己的配置更新，因而可用作入侵偵測系統使用。

結論

雖然 CAN 匯流排早在 1983 年問世，但正如本文所述，該匯流排已很好地適應汽車電子設計人員對通訊的要求。首先，CAN 收發器正在改頭換面，過渡到更高速的 CAN FD 網路。其次，CAN 收發器透過去除共模扼流圈以及 TVS 二極體等外部元件，提高了可靠性，同時降低了物料清單成本以及縮小設計覆蓋區。最後，CAN 收發器能夠起到保護 CAN 匯流排的作用，可將安全功能內建於收發器硬體中。後者不僅能保護 CAN 匯流排，還能保障連網汽車的未來。