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	t_{SIC_TX_base}	不適用	530	不適用
傳輸的位元寬度變化	Δt_Bit(Bus)	-10	10	2 Mbps 為 –65	2 Mbps 為 30
傳輸的位元寬度變化	Δt_Bit(Bus)	-10	10	5 Mbps 為 –45	5 Mbps 為 10
接收的位元寬度	Δt_Bit(RxD)	-30	20	2 Mbps 為 –100	2 Mbps 為 50
接收的位元寬度	Δt_Bit(RxD)	-30	20	5 Mbps 為 –80	5 Mbps 為 20
接收器定時對稱	Δt_REC	-20	15	2 Mbps 為 –65	2 Mbps 為 40
接收器定時對稱	Δt_REC	-20	15	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	t_{prop(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	t_{prop(TxD-busrec)}		80
匯流排至 RXD 顯性的傳播延遲	t_{prop(busdom-RxD)}		110
匯流排至 RXD 隱性的傳播延遲	t_{prop(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 V_CC/2 (透過接收器的高值內部輸入電阻 (R_IN))，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 t_{SIC_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 (t_{SIC_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

圖 4-2 CAN-FD 驅動網路時的波形

圖 4-3 CAN SIC 驅動網路時的波形

大幅負向的 V_OD 並非問題，且 V_OD 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
V_io (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% V_CC	符合 ±10% V_CC	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 V_od	僅符合 ±5% V_CC	符合 ±10% V_CC	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
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。

重要声明和免责声明

TI 均以“原样”提供技术性及可靠性数据（包括数据表）、设计资源（包括参考设计）、应用或其他设计建议、网络工具、安全信息和其他资源，不保证其中不含任何瑕疵，且不做任何明示或暗示的担保，包括但不限于对适销性、适合某特定用途或不侵犯任何第三方知识产权的暗示担保。

所述资源可供专业开发人员应用TI 产品进行设计使用。您将对以下行为独自承担全部责任：(1) 针对您的应用选择合适的TI 产品；(2) 设计、验证并测试您的应用；(3) 确保您的应用满足相应标准以及任何其他安全、安保或其他要求。所述资源如有变更，恕不另行通知。TI 对您使用所述资源的授权仅限于开发资源所涉及TI 产品的相关应用。除此之外不得复制或展示所述资源，也不提供其它TI或任何第三方的知识产权授权许可。如因使用所述资源而产生任何索赔、赔偿、成本、损失及债务等，TI对此概不负责，并且您须赔偿由此对TI 及其代表造成的损害。

TI 所提供产品均受TI 的销售条款 (http://www.ti.com.cn/zh-cn/legal/termsofsale.html) 以及ti.com.cn上或随附TI产品提供的其他可适用条款的约束。TI提供所述资源并不扩展或以其他方式更改TI 针对TI 产品所发布的可适用的担保范围或担保免责声明。IMPORTANT NOTICE

邮寄地址：上海市浦东新区世纪大道 1568 号中建大厦 32 楼，邮政编码：200122