Tillämpa de senaste CAN-bussförbättringarna för att säkra tillförlitlig höghastighetskommunikation för fordon

Designers har i många år förlitat sig på CAN (Controller Area Network) för pålitlig kommunikation mellan de olika undersystemen i en bil och elektroniska styrenheter (ECU). Men då antalet nätverksnoder ombord har ökat har även genomströmningen av data och behovet av längre latens och mer avancerad säkerhet ökat, allt inom tajta storleks-, vikt- och kostnadsbegränsningar. Men många designers skulle föredra att inte ändra nätverkstopologier, och tack vare ständiga förbättringar av CAN-specifikationen och relaterade IC-lösningar så behöver de inte det.

Att flytta till en annan nätverkstopologi är svårt på grund av förlusten av tidigare investeringar och risken för designförseningar då designers tar sig upp längs inlärningskurvan. Men det kan undvikas genom att ta en ny titt på CAN-specifikationsförbättringarna, till exempel CAN FD (Flexible Data-Rate – flexibel datahastighet) för större genomströmning, användning av metoder som delnätverksfunktioner (Partial Networking) för att hantera läckage och interferens, användning av tajtare tidsmarginaler för att säkerställa tillförlitlig kommunikation vid högre datahastigheter och förbättrad säkerhet.

Och leverantörer av CAN-sändtagare har själva svarat på designkrav med mer integrerade lösningar som inkorporerar CAN-förbättringarna för att bättre kunna serva nya tillämpningar som system för avancerad förarassistans (ADAS), drivlinor och infotainment.

Den här artikeln diskuterar CAN och dess förbättringar kortfattat, inklusive hur designers kan hantera övergången till mer avancerade iterationer, till exempel CAN FD. Längs vägen introduceras lämpliga CAN-lösningar och hur du använder dem för snabbare datahastigheter, högre tillförlitlighet och bättre säkerhet.

CAN FD

När fordon nu har mer elektronik ombord kräver designers högre prestanda men istället för att flytta till ett helt annat nätverk kan de dra nytta av CAN-förbättringar, till exempel CAN FD. Tekniken möjliggör hastigheter på upp till 5 Mbit/s, jämfört med 1 Mbit/s (max) för den ursprungliga CAN-specifikationen, som definieras i ISO 11898-standarden. Den datahastighetsbegränsningen tvingade fordonsdesigners att lägga till fler CAN-nätverksenheter och anslutningar inuti bilen, vilket oundvikligen leder till mer kablage, effektförluster och vikt.

CAN FD-standarden löser bandbreddsdilemmat och tar samtidigt datahastigheten till 2 Mbit/s i nominella förhållanden och 5 Mbit/s i programmeringsläge. Med den här stora CAN-förbättringen följer en modifierad bildhastighet som ökar datafältet från 8 byte till 64 byte för effektivare stöd av dataintensiva tillämpningar (figur 1).

Figur 1: CAN FD-standarden, uppdaterad 2012, utökar det maximala antalet databyte i nyttolasten från 8 till 64 byte. (Bildkälla: Microchip Technology)

Övergång från klassiskt CAN till CAN FD

Mängden data som transporteras i fordonsinterna nätverk stiger ständigt när kamera och sensorer läggs till vid tillägget av kamera och sensorer, inklusive sådana för system för avancerad förarassistans (ADAS). CAN FD-nätverk med högre hastighet kan hjälpa men de kräver större precision under utveckling. Vid, till exempel, högre datahastigheter krymper den tillgängliga marginalen för att stabilisera bitvärdet snabbt, vilket ökar risken för fel och undergräver CAN-nätverkets inneboende tillförlitlighet.

Det finns också problem som interferensläckström som kan genereras från datatransport med högre hastighet inom CAN-nätverket. Dessutom utgör implementering av ett CAN FD-system tillsammans med klassisk CAN en betydande utmaning när det gäller att säkerställa att inga fel introduceras på grund av ett hybridnätverksarrangemang.

För att hantera några av de här problemen har Microchip Technology introducerat CAN-sändtagaren med hög hastighet, MCP2561/2FD. Den här enheten har samma kärnfunktioner som sin föregångare, MCP2561/2, men har dessutom loopfördröjningssymmetri för att kunna stödja de högre datahastigheter som krävs för CAN FD (figur 2). Det minskar i sin tur den maximala utbredningsfördröjningen för att kunna stödja längre nätverksanslutningar och fler noder på CAN-bussen. Mer specifikt har CAN-sändtagaren MCP2561/2FD en maximal utbredningsfördröjning på 120 nanosekunder (ns).

Figur 2: CAN-sändtagaren MCP2561/2FD CAN har garanterad loopsymmetri som möjliggör längre nätverksanslutningar och fler noder på CAN-bussen. (Bildkälla: Microchip Technology)

Microchip och andra leverantörer av CAN-sändtagare implementerar också delnätverksmekanismen som följer ISO 11898-2:2016-standarden. Delnätverk säkerställer en smidig övergång från klassiskt CAN till CAN FD-system med högre hastigheter genom att stödja selektiv väckningsfunktion och autonom bussbiasering.

Till exempel stöder NXP Semiconductors CAN-sändtagare med hög hastighet TJA1145 datahastigheter på upp till 2 Mbit/s och inkorporerar delnätverksfunktioner via en selektiv väckningsfunktion som kallas FD Passive. Med funktionen kan vanliga CAN-styrenheter som inte behöver kommunicera CAN FD-meddelanden stanna i vilo-/standbyläge vid CAN FD-kommunikation, utan att generera bussfel.

Till slut krävs att alla CAN-styrenheter följer standarden för CAN-buss med hög hastighet, vilket gör alla CAN-bussnoder till FD Active-noder. Men till dess överbryggar delnätverk luckan mellan klassiskt CAN och CAN FD.

NXP tillhandahåller även CAN FD Shield-tekniken som dynamiskt filtrerar CAN FD-meddelanden med hjälp av en högprecisionsoscillator. Liksom delnätverk ger CAN-sändtagare som använder FD Shield-funktioner direkt byte för de befintliga sändtagarna och kräver därför inte programvaruändringar. NXP har slutfört utvärderingen av sin FD Shield-teknik med AUTOSAR (Automotive Open Systems Architecture) och gör exemplen tillgängliga till större OEM-tillverkare och Tier-1-leverantörer inom fordonsindustrin.

Busskydd med mindre CAN-sändtagare

Tillsammans med snabbare datahastigheter kan designers utnyttja högintegrerade CAN-lösningar som minskar BOM-kostnaden och kortutrymmet. Men enheterna är ofta nära varandra och annan känslig elektronik, så du måste se till att de inte orsakar störningar eller blir mottagliga för störningar, så immunitet mot elektromagnetiska störningar (EMI) och brus är viktiga egenskaper. CAN-sändtagare använder ofta diskreta filter, common-mode-drosslar och enheter med TVS (avledning av transientspänning) för att motverka problemen med ESD och EMI.

Mer information om det viktiga ämnet TVS för CAN-buss finns i ”Design In TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability” (Design i TVS-diodskydd för att förbättra tillförlitligheten hos CAN-bussar).

Men fordonsdesigners letar i allt högre grad efter sätt att minska vikten och kostnaden i CAN-baserade designer. Till exempel har drosseln tagits bort i sändtagarna TCAN1042 och TCAN1051 från Texas Instruments för att minska antalet komponenter och ändå följa stränga brusimmunitetskrav (figur 3).

Figur 3: CAN-sändtagaren TCAN1042 har skyddsfunktioner för att förbättra CAN-stabiliteten och används i tillämpningar som VVS-styrmoduler och smarta RF-fjärrkontroller. (Bildkälla: Texas Instruments)

Skyddet mot högt bussfel och elektrostatisk urladdning (ESD) är centralt i CAN-system som nu tillgodoser 12-, 24- och 48-volts batterikrav i fordon samt 24-volts strömförsörjning för industriellt bruk. Det skyddar CAN-busstiften mot kortslutning till likström-spänning med bättre matchning av utgångssignaler.

Sändtagarna TCAN1042 och TCAN1051 ger ESD-skydd på upp till ±15 kilovolt (kV), som potentiellt eliminerar behovet av externa TVS-dioder. Och designers kan snabbt och enkelt utvärdera prestandan för de här CAN-sändtagarna med en utvärderingsmodul, TCAN1042DEVM, som också ger information om CAN-bussterminering, CAN-bussfiltrering och skyddskoncept.

CAN:s nästa gräns: säkerhet

CAN-baserade fordonsinterna nätverk för att länka motorstyrenheter är relativt enkla och lätta att använda. Men en enda motorstyrenhet med komprometterad säkerhet kan göra hela fordonet sårbart mot hackare. Ett allmänt känt alternativ för att skydda CAN-kommunikation baseras på MAC-mekanismen (meddelandeautentiseringskod) som använder kryptografi och komplex nyckelhantering. Men kryptering av CAN-meddelanden ökar CAN-bussbelastning, meddelandelatens och effektförbrukning. Dessutom finns svårigheten med uppgradera fordonsinterna nätverk för säker CAN-kommunikation på grund av brist på beräkningskapacitet i installerade CAN-styrenheter.

Nyare CAN-sändtagare levereras med enklare mekanismer som kringgår bandbreddstak, fördröjningar och bearbetningsbelastning. De här säkra CAN-sändtagarna kan filtrera meddelande-ID:n, så om en komprometterad motorstyrenhet försöker skicka ett meddelande med ett ID som inte hade tilldelats till den ursprungligen kan sändtagaren vägra att sända det till CAN-bussen (figur 4). Förutom att förhindra förfalskningsförsök kan en CAN-sändtagare förhindra manipulering och översvämningsattacker genom att ogiltigförklara meddelandet från den komprometterade motorstyrenheten.

Figur 4: För att minska latens- och bandbreddskraven när CAN-nätverket ska säkras filtrerar nyare sändtagare meddelande-ID:n. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

De här CAN-sändtagarna ger skydd mot översvämning, förfalskning och manipulering utan att använda kryptografi. De kan upptäcka en cyberincident om meddelandet ogiltigförklaras på bussen med en aktiv felflagga. Därefter kopplar den säkra CAN-sändtagaren bort den lokala värden från CAN-bussen.

Men om inget säkerhetshot upptäcks fungerar CAN-sändtagare som en CAN-standardsändtagare med hög hastighet. Med andra ord kan de här säkra CAN-sändtagarna vara direkta ersättare för CAN-standardsändtagare i ett liknande paket.

Det leverantörer som NXP gör här är att implementera säkerhetsfunktioner helt i maskinvara, så att säkerhetsåtgärder för CAN-sändtagare kan utföras oberoende av CAN-styrenheter. Då undviks behovet av programvaruändringar för den motorstyrenheten och den tillhörande risken för driftstörningar för motorstyrenheten.

Dessutom har den säkra CAN-sändtagaren en logg för rapportering av säkerhetsincidenter på bussen. De här CAN-sändtagarna kan också skydda sina egna konfigurationsuppdateringar och kan därför fungera som ett intrångsidentifieringssystem.

Slutsatser

CAN-bussen började sin resa 1983 men som den här artikeln har visat har den anpassat sig väl efter fordonselektronikdesigners kommunikationskrav. Först och främst genomgår CAN-sändtagare en förändring mot CAN FD-nätverk med högre hastighet. För det andra förbättrar CAN-sändtagare tillförlitligheten och minskar BOM-kostnaden och designavtrycket genom att eliminera externa komponenter som common-mode-drosslar och TVS-dioder. Slutligen spelar CAN-sändtagare sin roll i att säkra CAN-bussen genom att bädda in säkerhetsfunktioner i sändtagarmaskinvaran. Den senare säkrar inte bara CAN-bussen, utan även framtiden för den anslutna bilen.