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    [导读]近年来,新能源汽车与自动驾驶逐渐成为了汽车发展进程“趋之若鹜”的大热门。传统工艺中汽车的CAN总线通讯,已跟不上当下的数据量需求,CAN FD应运而生,讲到CAN FD,就不得不提到CAN FD控制器和收发器,2019年6月21日,德州仪器(TI)推出了业界新款汽车系统基础芯片(SBC)TCAN4550-Q1,21IC中国电子网记者受邀参加此次发布会。

    近年来,新能源汽车与自动驾驶逐渐成为了汽车发展进程“趋之若鹜”的大热门。传统工艺中汽车大多使用CAN总线通讯,而在过去近30年的技术的发展下,更多的辅助系统与人机交互使得通讯数据越来越庞大,经典的CAN总线通讯已跟不上当下的数据量需求。现在已不再是车载“节点数少,数据量小”的年代,因此CAN FD应运而生,以满足车载网络日益提高的带宽和数据速率灵活性的要求。

    讲到CAN FD,就不得不提到CAN FD控制器和收发器,简单来说,它就像连接汽车神经网络的大脑,帮助车载网络数据发挥出最大的功效。那么有没有一款芯片整合所有CAN FD所需的这些功能?2019年6月21日,德州仪器(TI)推出了业界新款汽车系统基础芯片(SBC)TCAN4550-Q1,21IC中国电子网记者受邀参加此次发布会。

    据德州仪器(TI)接口产品部门产品线经理Charles(Chuck)Sanna介绍,该芯片集成了使用灵活数据速率控制器局域网(CAN FD)的控制器和收发器,采用了几乎所有微控制器的串行外围接口(SPI)总线来部署CAN FD接口或提高系统中CAN FD总线端口的数量。

    他表示,此款芯片支持向下兼容经典CAN总线,所以可以最少量地对硬件进行改动。另外,4.5mm x 3.5mm的20引脚QFN,支持在小封装内完成升级和扩展。正因新产品拥有如此众多优异的特性,所以在产业从CAN过度到CAN FD的进程中,相信该产品也将是产业升级的关键。

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    图1:德州仪器(TI)接口产品部门产品线经理Charles(Chuck)Sanna

     

    成本和尺寸:行业转折的关键点

     

    CAN FD是一种基于原始CAN总线标准(经典CAN)而构建的通信协议。与传统经典CAN相比,从之前的1Mbps升级到了 5 Mbps的最大数据传输速率,支持高达 64 字节的有效负荷。

    CAN FD在兼容性上也非常优秀,CAN FD仍旧可以向下兼容CAN,但CAN没有办法向上升级。因此一些现有的网络架构,仍旧可以使用TCAN4550-Q1达到升级,无需新的连接器或电缆。但另一方面,需要更新的处理器,新处理器需要包含CAN FD控制器和相关的CAN FD收发器。

    值得一提的是,CAN FD和现有方案对比,在减少成本和PCB尺寸上拥有不可替代的优势。

    现今板载空间随着车载技术的提升限制越来越大,行业急需更高的成本和板载空间的多芯片解决方案,CAN FD正是适用于现今发展阶段的技术。

    据Chuck表示,从需求上来看,2019年及以前,对CAN FD的需求还没有那么高。但2019年过年后,在沟通时发现整体需求突然间上升,主要原因是新能源汽车以及自动驾驶的爆发,两个方面产生的数据量非常大,传统CAN传输数据是达不到的,因此需要升级CAN FD来传输。

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    图2:CAN FD相较经典CAN数据传输率提高5倍,数据有效负荷增加8倍

     

    系统基础芯片(SBC):并不是纯粹的“叠加”

     

    系统基础芯片(SBC)是一个集成组件,SBC的概念在市场上并不是一个新兴的概念,不同于SoC的数字电源集成芯片,SBC是将汽车ECU所需的常见功能集成在一起,诸如网络通信收发器、电压调节器、诊断监控、开关和唤醒输入等。

    那么将所有功能结合在一起又与离散式方案有何区别,仅仅是单纯地“叠加”在一起?答案是否定的。

    对于这个问题,Chuck表示,集中式方案(即SBC)对比离散式方案有着不可替代的优势。一方面,SBC相较离散式解决方案,PCB Layout占用面积会更小,可以让工程师在有限的板载空间上大展拳脚。

    另一方面,离散式方案的成本未必会比集成式的好,因为SBC是从芯片层级进行整合,成本会更优。

    值得一提的是,离散式解决方案需要同时考虑收发器、控制器、看门狗以及供电的设计,还要考虑失效模式和保护模式,工程师所承担的压力会更多、更大,并且从安全性来说,不一定可以达到定制化的SBC的安全性,其实也存在一定风险成本。

    当然,市场上也存在经典CAN与CAN FD混合使用的场景,如果只需改动其中一部分,TI也提供CAN FD的离散式解决方案,客户可以根据需求自由选择最适合或成本最优的方案。

    3.png

    图3:TI的CAN、LIN和SBC收发器接口系列

    当然,从经典CAN升级到CAN FD进程中,必然有一定过渡期,不可能所有节点都直接转换CAN FD,从成本上考虑这是不现实的,可能存在两者共存的现象。那么这会对通信传输产生影响吗?Chuck对此解释表示,CAN FD是可以向下兼容到CAN的,CAN是没有办法和CAN FD互通的,极端情况是存在混合框架的,但这并不影响CAN FD方面的传输速率。另外,从与车厂沟通来看,目前也已慢慢在向整体CAN FD总线转变,因为成本也不是非常高。

     

    TCAN4550-Q1:解决时下最关注的的问题

     

    问题一:成本问题

    Chuck表示,在CAN FD 升级过程中,事实上传统架构中MCU需要配备CAN控制器,扩展系统比较简单的方式,就是再去装配一个一样的设备,而在此过程中,MCU中的CAN控制器就会被重复利用。因此每增加一个接口的同时相当额外再购买一个CAN控制器,这样其实也是在浪费MCU资源。但如果在现有架构下,利用TCAN4550-Q1升级CAN FD总线,MCU不会被重复利用,同时接口数量也增加了。

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    图4:通过TCAN4550-Q1升级CAN FD总线

    问题二:外围问题

    Chuck表示,TCAN4550-Q1把CAN以及其他功能集合在里面, CAN FD总线的扩展中,单芯片解决方案有两个LDO,总共120mA电流,其中70mA对外使用,这样整体外围的设计会相对简单。

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    图5:通过TCAN4550-Q1扩展CAN FD总线

    问题三:尺寸问题

    从上文叙述与行业发展特点可知,尺寸越小带给整体设计的惊喜就更多。4.5mm×3.5mm的20引脚对于一个集合5个功能的芯片来说,尺寸已经非常小了。而据Chuck表示,“小身材”中却集合了“大奥妙”,其中包括两个LDO、CAN控制器、CAN收发器和看门狗。

    除此之外,TCAN4550-Q1还具有四个主要特性:1、能够向下兼容;2、TCAN4550-Q1能够直接和12V电源对接;3、协议是5Mbps,但最高可以达到8Mbps速率;4、通过整合,工程师大概能减少50% PCB layout的面积。

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    图6:TCAN4550-Q1的优势与特点

    总的来说,TCAN4550-Q1的单芯片解决方案,方便升级和扩展CAN/CAN FD;超越CAN FD最高的数据传输率(超过5Mbps的CAN FD最高传输率,高达8Mbps);集成式功能集,提高了设计灵活性;具有较小封装尺寸,减少了板载空间。

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