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[導讀]近年來,新能源汽車與自動駕駛逐漸成為了汽車發展進程“趨之若鶩”的大熱門。傳統工藝中汽車的CAN總線通訊,已跟不上當下的數據量需求,CAN FD應運而生,講到CAN FD,就不得不提到CAN FD控制器和收發器,2019年6月21日,德州儀器(TI)推出了業界新款汽車系統基礎芯片(SBC)TCAN4550-Q1,21IC中國電子網記者受邀參加此次發布會。

近年來,新能源汽車與自動駕駛逐漸成為了汽車發展進程“趨之若鶩”的大熱門。傳統工藝中汽車大多使用CAN總線通訊,而在過去近30年的技術的發展下,更多的輔助系統與人機交互使得通訊數據越來越龐大,經典的CAN總線通訊已跟不上當下的數據量需求。現在已不再是車載“節點數少,數據量小”的年代,因此CAN FD應運而生,以滿足車載網絡日益提高的帶寬和數據速率靈活性的要求。

講到CAN FD,就不得不提到CAN FD控制器和收發器,簡單來說,它就像連接汽車神經網絡的大腦,幫助車載網絡數據發揮出最大的功效。那么有沒有一款芯片整合所有CAN FD所需的這些功能?2019年6月21日,德州儀器(TI)推出了業界新款汽車系統基礎芯片(SBC)TCAN4550-Q1,21IC中國電子網記者受邀參加此次發布會。

據德州儀器(TI)接口產品部門產品線經理Charles(Chuck)Sanna介紹,該芯片集成了使用靈活數據速率控制器局域網(CAN FD)的控制器和收發器,采用了幾乎所有微控制器的串行外圍接口(SPI)總線來部署CAN FD接口或提高系統中CAN FD總線端口的數量。

他表示,此款芯片支持向下兼容經典CAN總線,所以可以最少量地對硬件進行改動。另外,4.5mm x 3.5mm的20引腳QFN,支持在小封裝內完成升級和擴展。正因新產品擁有如此眾多優異的特性,所以在產業從CAN過度到CAN FD的進程中,相信該產品也將是產業升級的關鍵。

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圖1:德州儀器(TI)接口產品部門產品線經理Charles(Chuck)Sanna

 

成本和尺寸:行業轉折的關鍵點

 

CAN FD是一種基于原始CAN總線標準(經典CAN)而構建的通信協議。與傳統經典CAN相比,從之前的1Mbps升級到了 5 Mbps的最大數據傳輸速率,支持高達 64 字節的有效負荷。

CAN FD在兼容性上也非常優秀,CAN FD仍舊可以向下兼容CAN,但CAN沒有辦法向上升級。因此一些現有的網絡架構,仍舊可以使用TCAN4550-Q1達到升級,無需新的連接器或電纜。但另一方面,需要更新的處理器,新處理器需要包含CAN FD控制器和相關的CAN FD收發器。

值得一提的是,CAN FD和現有方案對比,在減少成本和PCB尺寸上擁有不可替代的優勢。

現今板載空間隨著車載技術的提升限制越來越大,行業急需更高的成本和板載空間的多芯片解決方案,CAN FD正是適用于現今發展階段的技術。

據Chuck表示,從需求上來看,2019年及以前,對CAN FD的需求還沒有那么高。但2019年過年后,在溝通時發現整體需求突然間上升,主要原因是新能源汽車以及自動駕駛的爆發,兩個方面產生的數據量非常大,傳統CAN傳輸數據是達不到的,因此需要升級CAN FD來傳輸。

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圖2:CAN FD相較經典CAN數據傳輸率提高5倍,數據有效負荷增加8倍

 

系統基礎芯片(SBC):并不是純粹的“疊加”

 

系統基礎芯片(SBC)是一個集成組件,SBC的概念在市場上并不是一個新興的概念,不同于SoC的數字電源集成芯片,SBC是將汽車ECU所需的常見功能集成在一起,諸如網絡通信收發器、電壓調節器、診斷監控、開關和喚醒輸入等。

那么將所有功能結合在一起又與離散式方案有何區別,僅僅是單純地“疊加”在一起?答案是否定的。

對于這個問題,Chuck表示,集中式方案(即SBC)對比離散式方案有著不可替代的優勢。一方面,SBC相較離散式解決方案,PCB Layout占用面積會更小,可以讓工程師在有限的板載空間上大展拳腳。

另一方面,離散式方案的成本未必會比集成式的好,因為SBC是從芯片層級進行整合,成本會更優。

值得一提的是,離散式解決方案需要同時考慮收發器、控制器、看門狗以及供電的設計,還要考慮失效模式和保護模式,工程師所承擔的壓力會更多、更大,并且從安全性來說,不一定可以達到定制化的SBC的安全性,其實也存在一定風險成本。

當然,市場上也存在經典CAN與CAN FD混合使用的場景,如果只需改動其中一部分,TI也提供CAN FD的離散式解決方案,客戶可以根據需求自由選擇最適合或成本最優的方案。

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圖3:TI的CAN、LIN和SBC收發器接口系列

當然,從經典CAN升級到CAN FD進程中,必然有一定過渡期,不可能所有節點都直接轉換CAN FD,從成本上考慮這是不現實的,可能存在兩者共存的現象。那么這會對通信傳輸產生影響嗎?Chuck對此解釋表示,CAN FD是可以向下兼容到CAN的,CAN是沒有辦法和CAN FD互通的,極端情況是存在混合框架的,但這并不影響CAN FD方面的傳輸速率。另外,從與車廠溝通來看,目前也已慢慢在向整體CAN FD總線轉變,因為成本也不是非常高。

 

TCAN4550-Q1:解決時下最關注的的問題

 

問題一:成本問題

Chuck表示,在CAN FD 升級過程中,事實上傳統架構中MCU需要配備CAN控制器,擴展系統比較簡單的方式,就是再去裝配一個一樣的設備,而在此過程中,MCU中的CAN控制器就會被重復利用。因此每增加一個接口的同時相當額外再購買一個CAN控制器,這樣其實也是在浪費MCU資源。但如果在現有架構下,利用TCAN4550-Q1升級CAN FD總線,MCU不會被重復利用,同時接口數量也增加了。

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圖4:通過TCAN4550-Q1升級CAN FD總線

問題二:外圍問題

Chuck表示,TCAN4550-Q1把CAN以及其他功能集合在里面, CAN FD總線的擴展中,單芯片解決方案有兩個LDO,總共120mA電流,其中70mA對外使用,這樣整體外圍的設計會相對簡單。

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圖5:通過TCAN4550-Q1擴展CAN FD總線

問題三:尺寸問題

從上文敘述與行業發展特點可知,尺寸越小帶給整體設計的驚喜就更多。4.5mm×3.5mm的20引腳對于一個集合5個功能的芯片來說,尺寸已經非常小了。而據Chuck表示,“小身材”中卻集合了“大奧妙”,其中包括兩個LDO、CAN控制器、CAN收發器和看門狗。

除此之外,TCAN4550-Q1還具有四個主要特性:1、能夠向下兼容;2、TCAN4550-Q1能夠直接和12V電源對接;3、協議是5Mbps,但最高可以達到8Mbps速率;4、通過整合,工程師大概能減少50% PCB layout的面積。

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圖6:TCAN4550-Q1的優勢與特點

總的來說,TCAN4550-Q1的單芯片解決方案,方便升級和擴展CAN/CAN FD;超越CAN FD最高的數據傳輸率(超過5Mbps的CAN FD最高傳輸率,高達8Mbps);集成式功能集,提高了設計靈活性;具有較小封裝尺寸,減少了板載空間。

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