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飞思卡尔的车内CAN/LIN网络解决方案 |
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作者：飞思卡尔 来源：汽车电子设计 |
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CAN能够为汽车电子设备提供稳定、可靠的低成本网络连接，迄今为止，全球的CAN节点已达1.5亿个，本地互连网络（LIN）能够为电机、开关、传感器和车灯提供了一种低成本的网络连接方式，本文介绍飞思卡尔的车内CAN/LIN网络解决方案。
控制器区域网络（CAN）是一种异步的多主（multi-master）串行通信协议，可用来连接汽车和工业应用中的各种电子控制模块。最初，CAN是为需要高级数据集成能力、以及要求数据数率达1Mbit/s以上的汽车应用而设计的。
除了汽车外，CAN网络的应用领域还包括楼宇自动化、环境与照明控制、空调系统、警报系统、自动洒水装置、电梯、自动贩卖机和电机控制系统等。未来，CAN的应用范围还会继续增加。以至于任何一个需要稳定、可靠的低成本网络的系统或设备，都有可能成为CAN节点。迄今为止，全球的CAN节点已达1.5亿个。
CAN应用的挑战
然而，并非所有的CAN网络都是一样的。汽车应用中的CAN网络可根据流量性质的不同，分为两种截然不同的类型。第一种是车身控制网络，它的功能是控制乘客的舒适系统，因此该网络主要处理多种无序或以非规律频率出现的消息标示符（message identifier）。另一种是汽车动力总成网络（power train network），它的功能是传输与引擎和传动控制有关的消息，这些待处理信息的类型相对单一，但出现的频率却非常快，也非常有规律。由于需要处理的信息类型的不同，导致两种网络在硬件和软件系统设计上也大相径庭。
与其它重要的网络协议一样，CAN需要一个物理层器件来执行通信功能。其物理层规范源自ISO/OSI规定的7层模型，负责对总线进行电流和电压控制。物理层器件还需要处理瞬态电流和瞬态电压，以及信令链路上的错误，并尽可能的纠错。
博世（Bosch）公司制订的CAN规范并没有专门的物理层规范。这对设计工程师而言既是福、也是祸。在过去10年里，有2个主要的物理层设计走上前台，并成为绝大多数CAN应用的物理层设计的基础。它们通常被称为高速和低速的物理层，并且都以电压差的方式在一对差分信号线上执行通信功能。当差分信号线中的某一条线出现短路或开路故障时，低速物理层架构就可变成一种单线架构（参考地电平）。由于要执行这项功能，低速架构对于总线速度高于125kbit/s的操作来说，成本过于昂贵。这也是125kbit/s成为划分低速CAN与高速CAN的根本原因。尽管两种架构都是在一对线上使用一个电压参考，但每一种架构的终止方法（termination method）并不一样，产品系统也互不兼容。
图1：飞思卡尔的CAN应用框图
另外，通用汽车在不久前开发了一种新的CAN物理层。这种物理层只采用一根线，并将速度性能限制在33.33kbit/s。这种单线的CAN物理层与上面两种类型有着显著的不同，也没有得到广泛接受。
其实，CAN标准规范中并没有任何对物理层的要求，其它的标准组织也开发出了各种标准来帮助设计工程师开发各种能相互兼容的CAN设备。国际标准组织（ISO）和汽车工程师协会（SAE）分别为欧洲和美国市场制订了各种标准，以确保各种物理层器件与推荐的设计规程之间有互用性。请访问www.iso.org，了解ISO11519-2（低速容错CAN）和ISO11898（高速CAN）；或者访问www.sae.org了解SAEJ2411（单线CAN）和SAEJ2284-125/250/500（高速CAN）的标准规范。
针对CAN应用的解决方案
飞思卡尔深刻认识到汽车CAN器件与系统的开发商所面临的严峻挑战。由于不同的CAN网络具有不同的CAN消息机制，因此飞思卡尔将提供不同的硬件方案来应对这些挑战。
飞思卡尔的32位MCU采用了Tou CAN或Flex CAN硬件模块，来与CAN总线进行通信。这些模块都是基于传统的“邮箱”或“完全CAN（full-CAN）”硬件架构，具有16个消息缓冲器。当接收到消息后，相应的硬件过滤器会把消息装入到这16个“邮箱”中的一个（接收缓冲器）。这种方法非常适合于动力总成系统，因为该系统中的消息都非常有规律、可以预测，应用开发商可通过软件以足够快的速度清空“邮箱”，以便新的消息不会覆盖掉未处理的旧消息。但如果多条消息进入的速度实在太快、来不及处理和清空时，数据就会丢失。这就是为什么邮箱式架构并不一定适合于不可预测的、事件驱动型的数据网络的原因。
前面曾提到，车身电子网络的消息是零星产生的，具有不可预测的性质，这使飞思卡尔的Scalable CAN（msCAN）架构非常适合这些应用。因为HC08、HC12和HCS12等MCU系列都是8位和16位的控制器，它们都是车身电子系统与器件的核心，因此msCAN模块适合用这些MCU系列来开发。由msCAN接收的CAN消息被放到一个先进先出（FIFO）的存储结构中。这种结构保持了所接收的消息的顺序，因此许多具有同一标示符的消息能够有序的快速接收，不必担心单一接收缓冲器会出现的溢出问题。
为满足多种类型的CAN物理层的需求，飞思卡尔提供了一系列CAN物理层器件，来满足或超越ISO或SAE制订的性能标准。
但仅有一个简单的物理层器件是不够的。例如，所有的汽车模块都需要由经过调整的电源供电。有时，一个本地开关或传感器需要将该模块从睡眠状态下迅速激活为运行状态，而开关或传感器的电压为汽车蓄电池的电压。这就是飞思卡尔的系统基础芯片（SBC）为汽车设计表（design table）带来的帮助和价值。SBC结合了CAN物理层所需要的电压调整、独立的看门狗定时器、本地激活电路，以便能用更少的元器件获得更大的灵活性。当这些电路能够采用同一半导体工艺制造时，就有必要将这些功能集成到单一封装内，减少设计最后阶段所需要的元器件数量。这将减少开发成本、提高可靠性、增加设计灵活性（图1）。
LIN应用的设计挑战
本地互连网络（LIN）是一种基于UART的单主（节点）多从（节点）网络架构，最早是为汽车传感器和制动器（actuator）的联网应用而开发的。它为电机、开关、传感器和车灯提供了一种低成本的网络连接方式。LIN不仅仅可以连接独立的传感器和制动器，其主节点还可在LIN网络与CAN等更高级网络之间进行连接。
然而想把LIN网络集成到汽车环境中去并非轻而易举。目前，绝大多数适合LIN的应用，都采用了分立的、点对点的线束系统，而没有考虑负载端的芯片、电路和元件。因此，不论负载是灯或电机，还是传感器，通常都通过简单的连接器连接到杂乱的线束。结果，剩下的板上空间就十分有限，很难再集成LIN所需要的元件。例如在电动后视镜中，供应商可能会放置多达3个电机、发热元件、电镀铬玻璃和多个车灯，于是就没有留下足够的空间来满足其它潜在性要求。
对汽车电子制造商来说，制造控制模块的能力是另一个重大挑战。它不仅仅是LIN开发商会碰到的问题，也是电机、传感器和制动器制造商经常面对的问题。
最终，智能化的LIN网络系统为开发商提供了新的选择。现在，系统前端可以完成对电机、车灯和螺线管等负载的控制。由于可提供前所未有的控制和系统级信息，LIN网络可轻易否决诊断数据。然而问题是，为了控制和诊断这些负载，该如何设计一个小体积的半导体芯片，以适合于非常狭小的应用空间。
电子器件会发射出电磁辐射，从而影响周围的其它器件。而电磁兼容性（EMC）就是处理多个电子器件之间的相互作用，以及它们是如何从外部资源（磁化系数）来响应这些辐射的。由于在汽车电子应用中，各种电子系统和器件之间的距离是如此接近，因此需要非常谨慎地考虑电磁兼容问题。
降低LIN网络的能量辐射也同样重要，因为长距离的线缆总线在传输信息时，会像天线一样对对周围的其它器件辐射能量。作为单线总线，LIN可以在地电平与电池电压之间进行切换。这种大幅度的电压切换也会造成大量的电磁辐射，因此在进行物理层器件设计时需要更加仔细。
针对LIN应用的解决方案
作为一种开放式标准的UART协议，LIN使飞思卡尔能够开发出一条完整的、高度集成的机电元件产品线。这些元器件在一个非常紧凑的封装内，为特定的从设备应用（slave application）集成了所有需要的半导体器件与连接器，给LIN的从节点（slave node）开发商提供了巨大的好处。
高集成度解决了许多客户的设计挑战。紧凑的大小和连接器技术的集成，意味着控制单元能够很容易的直接与线束相连，无需将控制电路隔离成独立的芯片，不会带来连接器数量的增多及封装问题。控制单元能够直接附着在电机和其它负载上，以减少连接和线束。
除了减小体积外，这些智能的连接器还简化了制造。模块制造商不必再考虑电路板设计、制造与错误检测等问题，因为所有的这些步骤早就在机电器件的制造过程中完成了。
其中一种机电器件的制造方法，是将MCU、物理层和负载处理（load handling）的半导体器件放置在一个绝缘金属衬底（IMS）上（该衬底可当作一个小的PCB板）。这种方法可获得极佳的热性能。该IMS为负载处理，通信与逻辑半导体提供了无以伦比的散热性能。
这些机电产品的基本特点，是为负载处理和诊断集成了飞思卡尔的SMARTMOS产品。这些产品也可作为MCU的周边器件，提供电流控制、限流、热保护、电子保护和先进的负载诊断等功能。应用开发商能够精确地测量出有多少电流流向了特定的负载，并控制电流直接在负载端执行这些先进功能，而不需要经过漫长的线缆传输。
飞思卡尔很早就开始了单线汽车通信总线的研究开发。在J1850总线的物理层研究中获得的宝贵经验和技术，已在MC33399LIN物理层芯片的开发中得到了印证。
飞思卡尔是业内首个量产LIN物理层芯片的供应商之一，也是首个推出带有重要的波形整形电路（这对降低电磁辐射至关重要）的LIN物理层芯片供应商之一。波形整形将针对传统的梯形波形，也可将尖角修圆（roundthecorner），以在结果波形中减小谐波分量。最初的LIN规范并没有考虑这些问题，但飞思卡尔却进行了仔细研究，并带来了卓越的产品（图2）。
图2：飞思卡尔的LIN车门系统框图
小结
在不断发展变化的汽车工业中，满足未来的要求与满足现有的需求同等重要。汽车产业动态的持续发展，为制造商带来了许多新的需求，也促使了CAN、LIN和FlexRay等各种标准的不断涌现，以满足制造商与客户的不同要求。(end)
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(4/29/2007) |
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