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  • 訊號改善功能如何協助發揮 CAN-FD 收發器的實際潛力

    • NESA006 April   2022 TCAN1462-Q1 , TCAN1463-Q1 , TCAN1473-Q1

       

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  • 訊號改善功能如何協助發揮 CAN-FD 收發器的實際潛力
  1.   摘要
  2.   註冊商標
  3. 1何謂 SIC?
  4. 2傳統 CAN 與一般 CAN-FD 的限制
  5. 3CAN SIC 如何減少匯流排振鈴
  6. 4TI TCAN1462 產品的實驗結果
  7. 5TI 的 CAN SIC 產品
  8. 6CAN SIC 的優點:
  9. IMPORTANT NOTICE
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TECHNICAL WHITE PAPER

訊號改善功能如何協助發揮 CAN-FD 收發器的實際潛力

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见,TI 提供了译文;由于翻译过程中可能使用了自动化工具,TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性,请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本(控制文档)。

摘要

現代的汽車會執行大量功能,以提高車輛的安全性、性能和舒適性。從動力系統、先進駕駛輔助系統、車身電子、照明,到車載資訊娛樂系統與安全性,車輛中部署了大量的電子控制單位 (ECU) 以執行前述電機功能。

ECU 會透過車載網路匯流排交換控制與數據記錄資訊。在控制器區域網路 (CAN)、區域互連網路 (LIN)、FlexRay 與 Ethernet 中,CAN 匯流排依舊是最受歡迎的選項,因為其易於使用、具有良好的共模雜訊抑制、採用優先權式傳訊、以按位元仲裁處理匯流排競爭,並且具備錯誤偵測和復原功能。

此外,CAN 匯流排的另一項重大優勢在於只要對現有 CAN 匯流排新增節點,就能擴充車輛網路。不過,隨著網路變得更加複雜 (例如以星狀拓撲連結的 CAN 節點),前述優勢就會消失。這類網路中固有的無端接短線所導致的反射,可能會在速度較高時造成訊號通訊作業出錯。因此,雖然 CAN 靈活資料速率 (FD) 收發器額定速率可達 5 Mbps,但在實際車輛網路中使用的速率卻不到 2 Mbps。利用訊號改善功能 (SIC),就可在複雜的星狀網路中以 5 Mbps 甚或更高速率使用 CAN-FD 收發器,而且無需進行大規模的重新設計作業。

註冊商標

Other TMs

1 何謂 SIC?

訊號改善是新增至 CAN-FD 收發器的額外功能,可透過將訊號振鈴最小化,提升複雜星狀拓樸能夠達到的最大數據速率。CAN SIC 收發器需要符合或超越國際標準化組織 (ISO) 11898-2:2016 高速 CAN 實體層標準的規格,以及 CAN-in-Automation (CiA) 601-4 訊號改善規格。

圖 1-1 所示為一般 CAN-FD 收發器,其 CAN 匯流排訊號會在超過 900 mV (CAN 接收器的顯性閾值) 與低於 500 mV (CAN 接收器的隱性閾值) 時發生振鈴,導致產生接收數據 (RXD) 突波。而在參照 CiA 601-4 之下,圖 1-2 則顯示了 CAN SIC 功能接收器如何使匯流排訊號振鈴衰減,進而產生正確的 RXD 訊號。

圖 1-1 沒有 SIC 的 CAN 匯流排與 RXD 波形
圖 1-2 有 SIC 的 CAN 匯流排與 RXD 波形

就電子參數而言,相較於一般 CAN-FD 收發器,符合 CiA 601-4 的 CAN SIC 收發器具有更緊密的位元定時對稱和迴路延遲規格,如表 1-1 所示。將傳輸路徑和接收路徑的延遲分離,可協助系統設計人員在具有其它訊號鏈元件的情況下,明確地計算網路傳播延遲。需要注意的一點是 CiA 601-4 所規定的定時與數據速率無關,且以 2-Mbps 與 5-Mbps 運作時都適用。

表 1-1 比較 CiA 601-4 與 ISO 11898-2 的定時規格
CiA 601-4 規格 ISO 11898-2:2016 規格
參數 記號 最小
[ns]
最大
[ns]
最小
[ns]
最大
[ns]
訊號改善時間,以 TX 為基準 tSIC_TX_base 不適用 530 不適用
傳輸的位元寬度變化 ΔtBit(Bus) -10 10 2 Mbps 為 –65 2 Mbps 為 30
5 Mbps 為 –45 5 Mbps 為 10
接收的位元寬度 ΔtBit(RxD) -30 20 2 Mbps 為 –100 2 Mbps 為 50
5 Mbps 為 –80 5 Mbps 為 20
接收器定時對稱 ΔtREC -20 15 2 Mbps 為 –65 2 Mbps 為 40
5 Mbps 為 –45 5 Mbps 為 15
發射器數據 (TXD) 至匯流排顯性的傳播延遲 tprop(TxD-busdom) 80 在最高 255 ns 時,只有指定迴圈延遲 (TXD 至匯流排至 RXD)
TXD 至匯流排隱性的傳播延遲 tprop(TxD-busrec) 80
匯流排至 RXD 顯性的傳播延遲 tprop(busdom-RxD) 110
匯流排至 RXD 隱性的傳播延遲 tprop(busrec-RxD) 110

2 傳統 CAN 與一般 CAN-FD 的限制

第一代 CAN 協定為 ISO 11898-2,也稱為傳統 CAN,是在 1993 年左右發布。此協定僅允許進行傳輸 8 位元的負載資料,規定的最高數據速率則為 1 Mbps。這些限制很快就在汽車應用中發揮效力,因為車輛具有多個會使用 CAN 匯流排彼此通訊的電子節點。

CAN-FD 協定的規格則是在 2015 年左右發布,其將負載長度增加至 64 位元,並將數據階段的最高訊號速率增加至 5 Mbps。不過,仲裁階段的訊號速率仍限制在 1 Mbps,以向下相容於傳統 CAN。

雖然 CAN-FD 帶來了更快的數據速率與更長的負載長度等優勢,卻不足以跟上車輛 CAN 匯流排網路中與日俱增的新增 ECU 數量。設計人員發現自己無法充分發揮 CAN-FD 收發器的真正潛力,因為正確的訊號通訊作業會受到複雜星狀網路的匯流排振鈴影響。圖 2-1 為星狀拓撲範例。

圖 2-1 以星狀網路連接的 CAN 節點

在具有多個短線的複雜星狀拓撲中,傳經匯流排的訊號會遭遇阻抗不匹配的情況,導致產生反射。這些反射會造成 CAN 匯流排失真並致使其振動,進而在取樣點產生錯誤的 CAN 匯流排電平與 RXD。雖然這些網路效應並非僅發生在 CAN-FD 網路中,不過傳統 CAN 的運作速率較低,因此位元期間較長,且匯流排振鈴會消失,所以可取樣到正確的位元,如同圖 2-2 所示,因此能夠正確地進行通訊。

圖 2-2 傳統 CAN 速度下的 CAN 匯流排振鈴與 RXD 突波

就 5-Mbps 的 CAN-FD 作業而言,200-ns 的位元期間過短,無法使複雜星狀拓撲中的振鈴消失,因此會阻礙實現可靠的數據通訊作業。這也妨礙了系統設計人員在 5 Mbps 下採用 CAN-FD。

現今車輛需要交換更多網路數據,同時也需要加快傳輸速率,面對這些需求,CAN SIC 開闢了一條大道,可實現新一代的車載通訊匯流排技術;此技術不但可提升速度,而且還能提供更高的網路靈活性與可擴展性。

3 CAN SIC 如何減少匯流排振鈴

在正常運作期間,CAN 匯流排具有兩種邏輯狀態:隱性與顯性,如圖 3-1 所示。

圖 3-1 CAN 匯流排電壓電平

以差動驅動匯流排時,就會產生顯性匯流排狀態,且會對應 TXD 和 RXD 針腳的邏輯低側。而當匯流排偏壓至 VCC/2 (透過接收器的高值內部輸入電阻 (RIN)),則會產生隱性匯流排狀態,且會對應 TXD 和 RXD 針腳的邏輯高側。在仲裁期間,顯性狀態會覆蓋隱性狀態。CAN 匯流排的隱性轉顯性訊號邊緣通常相當乾淨,因為其是由發射器強力驅動。在顯性階段,CAN 收發器的差分發射器輸出阻抗約為 50 Ω,且會密切匹配網路特性阻抗。針對一般 CAN-FD 收發器,當驅動器差分輸出阻抗突然達到約 60 kΩ 時,即會產生顯性轉隱性邊緣,而反射回來的訊號就會遭遇阻抗不匹配的情況,導致產生振鈴。

發射器架構 SIC 會偵測 TXD 上的顯性轉隱性邊緣,並啟動驅動器輸出上的振鈴抑制電路。CAN 驅動器會持續強力驅動匯流排隱性,直到達到 tSIC_TX_base,如此一來反射就會消失,且取樣點的隱性位元會變得乾淨。在此主動隱性階段中,發射器輸出阻抗較低 (約 100 Ω)。因為反射的訊號沒有嚴重的阻抗不匹配,所以振鈴會大幅衰減。在此階段結束後,產品會進入被動隱性階段,而驅動器輸出阻抗則會上升至約 60 kΩ。圖 3-2 所示即為前述現象。

圖 3-2 CAN SIC 技術:事件序列

在主動隱性階段中強力驅動匯流排的重要因素在於其最長僅可持續 530 ns (tSIC_TX_base,如表 1-1 所列)。CAN-FD 協定的數據階段最長僅持續 200 ns (若在 5 Mbps 下運作),所以前述振鈴抑制功能在整個隱性位元期間都有效,因此可產生正確的 CAN 匯流排與 RXD 訊號。不過就仲裁階段而言,此時最快的位元期間為 1 µs (在 1-Mbps 下運作)、可能有多個發射器同時發射,且顯性位元必須覆寫隱性位元,如此一來,振鈴抑制期間就可能會對整體網路長度和仲裁速度許多限制。如需更多詳細資料,請參閱 CiA 601-4 規格。

4 TI TCAN1462 產品的實驗結果

為了展現德州儀器 (TI) 八針腳 TCAN1462 CAN SIC 收發器的振鈴抑制功能,德州儀器利用下列設定進行了實驗:

  • 雙節點點對點通訊,其中節點 1 為 TCAN1462,節點 2 為一般 CAN-FD 收發器 TCAN1044A,如圖 4-1 所示。模擬複雜星狀拓撲的振鈴網路 (根據 CiA 601-4 規定) 連接至 CAN 匯流排端點。如同圖 4-2 與圖 4-3 中所示的波形,當 TCAN1462 進行驅動時,CAN 匯流排與 RXD 訊號看來十分乾淨。但是當 TCAN1044A 進行驅動時,即出現大量匯流排振鈴和 RXD 突波。
圖 4-1 具有雙節點與振鈴電路的網路
GUID-20220308-SS0I-GGW4-XJ8M-7ZKWJHJK5W5L-low.png圖 4-2 CAN-FD 驅動網路時的波形
GUID-20220308-SS0I-QDQ6-QLKG-ZLNJJMCV7GR1-low.png圖 4-3 CAN SIC 驅動網路時的波形

大幅負向的 VOD 並非問題,且 VOD 也沒有過衝情況,因此可產生乾淨的 RXD。

5 TI 的 CAN SIC 產品

TI 已推出兩款 CAN SIC 產品:八針腳的 TCAN1462,此產品支援待機模式,且與傳統八針腳 CAN 收發器之間具有針腳相容性;以及 14 針腳的 TCAN1463,此產品具有睡眠模式與 WAKE/INH 功能,並且與傳統 14 針腳 CAN 收發器之間具有針腳相容性。

TCAN1462 提供兩種版本:適用於 5-V 匯流排/邏輯電平的 TCAN1462,以及支援 1.8-V 至 5-V 邏輯電平的 TCAN1462V。相較於市面上的競爭產品,前述產品具有出色優勢,如表 5-1 所示。

表 5-1 TCAN1462 與最相近競爭產品的比較
參數 競爭產品 TCAN1462 對端點系統的影響
Vio (邏輯供應) 範圍 3 V 至 5.5 V 1.71 V 至 5.5 V TI 可滿足未來支援 1.8-V 邏輯 I/O 的需求
SIC 定時 僅符合 ±5% VCC 符合 ±10% VCC TI 不需要緊密調節的供應來源,即可符合標準規定的重要 SIC 參數
1.5 V 的最低 Vod 僅符合 ±5% VCC 符合 ±10% VCC
匯流排故障保護 -36 V 至 40 V ±58 V 匯流排故障保護越高,代表越能抵抗故障情況。此外,TI 也為 24-V 系統提供匯流排故障支援功能,因此可跨平台重複使用。
匯流排針腳的靜電放電 (ESD) 6 kV ±8 kV 較高的 ESD 防護
小型電晶體-23 封裝 否 是 TI 提供體積更小的封裝選項

6 CAN SIC 的優點:

相較於一般 CAN-FD 收發器,CAN SIC 收發器可提供重大系統優勢,而且無需進行實體層或應用層的設計變更。這類收發器能以更快的位元速率運作、提供更自由的網路拓撲選擇,同時還可降低車輛成本與重量。

CAN SIC 向下相容至 ISO 11898-2,因此可在與 CAN-FD 相同的匯流排上運作。

如表 1-1 所示,CAN SIC 收發器可大幅改善位元定時對稱,因此可針對任何可能造成 CAN 訊號劣化的網路效應,提供更大的裕度。收發器能大幅減少發射與接收位元劣化的情況,因此可縮短位元期間,進而以 8 Mbps 的速率可靠地運作。最後,CAN SIC 收發器的迴圈延遲最大為 190 ns,而 CAN-FD 收發器最大則達 255 ns,因此 CAN SIC 收發器有助於延伸最長網路長度。

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