作者：NXP车载网络收发器，市场总监Tony Adamson

新一代汽车的整体架构正在发生重大变化。随着车载ECU和处理器性能的逐步提高，支持新功能所需的带宽将超过CAN等传统车载网络的容量。现在CAN总线正在向CAN FD过渡。通信协议还基于原来的标准CAN总线设计，提供64字节的消息有效负载，最大比特率高达 5Mbps。

CAN FD（灵活数据速率）是经典HS-CAN的扩展，它使更多数据能以更快的比特率交换。在显著提高CAN吞吐量的同时，更快的比特率也带来了新的信号完整性问题，大大限制了其在汽车制造商最终需要的拓扑结构中的应用。新的CAN信号改善功能 (SIC) 收发器可以消除这些限制并加快CAN FD的发展，有助于为该技术开辟新的可能性，实现前所未有的功能。

CAN FD：加速至2 Mbit/s

通过CAN网络获得更快的比特率并不是什么新挑战。通信带宽总是有需求的，随着许多汽车网络的不断发展，已经慢慢达到了带宽容量上限。传统上，CAN网络能够可靠运行的最大比特率一直受到ISO11898-2标准中定义的“环路延时”这个时间参数的限制。本质上，这就形成了一个简单的原则：更快的比特率只适合更小的网络，具体来说就是，任意两个节点之间的距离更短。

这个限制源于仲裁阶段，在这个阶段，所有节点都需要正确接收其他节点的信号，以便共同商定哪个节点具有优先发送权。相比之下，CAN FD仅在通信的数据阶段执行此操作，因此可以加速到更高的比特率，这时仲裁已完成，只有一个节点在发送数据。“环路延时”要求在这里不再适用，尽管在CAN FD的仲裁阶段仍然适用。因此，每个CAN FD网络都有两个规定的比特率：仲裁阶段的比特率（通常类似于以前HS-CAN网络的比特率）和数据阶段（或称“快速阶段”）的比特率，在这个阶段发送有效负载，能够实现更快的比特率。

虽然ISO11898-2:2016规定 CAN FD在快速阶段的比特率最高5Mbit/s，但在用这些更高的比特率评估网络时，很快就遇到了新的速度限制。这一次，在隐性位期间实现了一个稳定信号，但由于以下两种拓扑效应而导致信号失真：信号振铃，因线束中有未端接的分支而产生；信号平顶，由较低的电缆特性阻抗产生。这两种效应都干扰了隐性位开始处的信号，并延迟了信号在低于0.5 V的差分电压下变得稳定。这个0.5 V是ISO11898-2:2016规定的最小接收器阈值，作为所有收发器都必须将信号解释为隐性的点。

这些效应并非CAN FD独有，传统HS-CAN网络中一样有此类问题。不过快速阶段的比特率意味着比特时间显著缩短。 因此，这些效应原来不过是采样点前面的小问题，现在却成了实现可靠通信的主要障碍。

为了减轻这些效应，网络架构师必须限制其拓扑结构的复杂性，避免未端接的长分支，并选择在典型线性（或菊花链）网络中减少节点数量。尽管这种方法保证了通信，但也带来了一些副作用：网络分支数量的增加导致更复杂的网关、更多的连接器、更多的车辆布线以及车辆生产过程中更复杂的安装和测试。一个简单的例子就是车顶模块的布线。使用线性拓扑时，电缆现在需要向上延伸1到2米至车顶，然后再向下延伸，而不是只有一个单向分支。这会增加电缆线束的成本和重量。但是纵然有这些缓解措施，CAN FD在点对点连接外还是被限制到2 Mbit/s通信速度。

CAN 信号改善能力

隐性位期间的信号控制问题推动了CAN信号改善技术的发展。现在的方法是主动使隐性信号低于0.5V的最小隐性阈值电平，而不是像传统收发器那样仅仅释放显性信号。

但在主动驱动隐性信号时，必须充分保证现有CAN和CAN FD协议的所有机制，特别是仲裁、帧确认和错误处理需要依赖显性位覆盖隐性位才能工作。 主动驱动隐性信号时，在所有最坏的情况下都需要保证隐性位能够被可靠地覆盖，从而让CAN和CAN FD协议能继续工作。

NXP的CAN信号改善技术是高度可靠的高性能解决方案，可实现比传统收发器高得多的比特率，并提供媲美传统收发器的通信可靠性。NXP的解决方案基于TXD输入，非常可靠，且能显著提高激活速度，即使在收发器的内部传播延迟之前，它也能触发信号改善。更快激活信号改善技术意味着振铃在位时间更早得到控制，在振铃问题更严重的网络（因此更复杂的拓扑）或比特率更高的网络中也能保障通信。系统预测非常简单，因为只有一个发送方实施信号改善。这避免了节点间无法预测的交互，由于每个节点各自管理自己的信号，即便有节点断电，也不会影响其他节点。

图1：500 Kbit/s（左）和2 Mbit/s（右）比特率下的信号振铃示例。水平线显示最小和最大接收器阈值。为了保证可靠的通信，信号必须稳定在采样点的最小接收器阈值以下，通常在比特时间的70-80%左右。在2 Mbit/s示例中，信号仍高于此限值，导致无法实现可靠的通信。

此外，NXP的CAN信号改善技术与传统HS-CAN收发器完全向后兼容，并且完全符合ISO11898-2:2016规范。这种兼容性与合规性使得用户可以通过直接替换现有的收发器来实现该技术在产品中的应用，并帮助汽车制造商避免制造两个版本的模块：一个采用CAN信号改善技术，另一个不采用该技术。如果在传统网络中使用CAN信号改善收发器，唯一的副作用就是当节点发送信号时，会增强振铃效应。

收发器对称性说明

NXP解决方案的最突出特点是其非常精确的收发器对称性。收发器对称性与CAN FD网络的整体性能高度相关。简单地说，它定义了从TXD到CAN总线，以及从总线到RXD，连续位边缘有多大的计时偏差。这种相关是因为所有CAN控制器都在显性位转换期间同步，并且任何收发器不对称都有可能在节点生成采样点时出现计时偏差。由于保证可靠的通信有赖于信号在采样点处保持稳定，因此计算最早的采样点何时可能出现，包括这些偏差，并评估此刻的信号稳定性非常重要。在此之前，不会出现采样点，因此信号失真是没问题的。这可以称为“允许的振铃时间”，如图2所示。

收发器对称性是网络中总体不对称计算的重要组成部分。因此，收紧对称性规格意味着传播的可能性更小。最早的采样点也将在相对较晚的时间出现，而这反过来又会延长最早采样点出现之前允许的振铃时间。与定义了2 Mbit/s和5 Mbit/s对称值的ISO11898-2:2016不同，NXP的CAN信号改善收发器使用更紧的对称规格定义与比特率无关的值。这使得CAN FD能够容忍明显更多的振铃，并且还允许显著缩短比特时间，将CAN FD支持的最大比特率扩展到10 Mbit/s以上。

图2：更紧的不对称性意味着采样点在时间上的偏差更小。这反过来又允许在不影响网络通信的情况下有更多的振铃时间。

NXP的CAN SIN技术

NXP与其他行业合作伙伴在这项技术的开发过程中发挥了关键作用，该技术现已定义在CiA601-4 v2.0.0规范中。该解决方案已在全球范围内得到汽车制造商的广泛评估，并被证明能够可靠地支持超过5Mbit/s的复杂网络。在2 Mbit/s时，它可以显著提高潜在的网络拓扑规模，我们的经验充分证明，在500 Kbit/s下验证过的拓扑也可以在2 Mbit/s运行。NXP CAN SIC解决方案的另一个优点是它与波特率无关，一个设备可以支持任何比特率。NXP目前正在对这项技术进行抽样调查，我们预计第一批使用这项技术的车辆将于2020年上路。

CAN信号改善技术实实在在地拓展了CAN FD和5 Mbit/s的可行性，成为了汽车制造商在未来的技术选择中必须考虑的现实。 随着汽车网络架构在下一代车辆中发生重大变化，使得CAN FD成为了与人类息息相关且有意义的技术。

尽管从理论上来说信号改善后可以超过5 Mbit/s，但如果仲裁阶段保持不变，将快速阶段加速到更高的比特率会导致收益递减。因此，信号改善技术与CAN XL之间有着天然的联系，其目的是显著增加有效载荷并消除当前CAN FD协议中的限制，从而实现信号在物理层面的更多改善。这个技术步骤将要求微控制器中使用新的协议控制器——而这是目前的信号改善收发器所不需要的。不过由于这项技术的目标是10 Mbit/s通信和2 KB帧，因此它将进一步拓展CAN在新型汽车网络中的潜力以及与其他技术的相关性。