Najnovejše izboljšave CAN vodil zagotavljajo zanesljivo, varno in zelo hitro komunikacijo v vozilih

Revija logo digikey 300x150 - Najnovejše izboljšave CAN vodil zagotavljajo zanesljivo, varno in zelo hitro komunikacijo v vozilihDigi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2019_276_14

Kontrolna območna omrežja (CAN) že več let zagotavljajo zanesljivo komunikacijo med različnimi podsistemi avtomobilov in elektronskimi nadzornimi enotami (ECU). Ker pa se je število omrežnih vozlišč v vozilih povečalo, sta se povečala tudi zahtevani pretok podatkov ter zahteva po manjši stopnji latentnosti in naprednejši zaščiti, za vse pa veljajo stroge omejitve glede velikosti, teže in cene. Vseeno pa številni oblikovalci raje ne bi spreminjali omrežnih topologij, in zahvaljujoč nenehnim izboljšavam specifikacije CAN omrežja ter povezanih IC rešitev jim tega tudi ni treba.

276 14 01 300x146 - Najnovejše izboljšave CAN vodil zagotavljajo zanesljivo, varno in zelo hitro komunikacijo v vozilih

Slika 1: CAN FD standard, posodobljen leta 2012, povečuje največje število podatkovnih bajtov v koristni obremenitvi z 8 na 64 bajtov. (Vir slike: Microchip Technology)

Uporaba druge omrežne topologije je težavna zaradi izgube prejšnjih naložb in morebitnih zakasnitev pri oblikovanju, ker se oblikovalci še naprej učijo. Vendar se je temu mogoče izogniti tako, da se znova posvetimo izboljšavam specifikacij CAN omrežja, na primer prilagodljivi podatkovni hitrosti CAN (FD) za večji pretok, uporabi tehnik, kot je delno mreženje za odpravljanje puščanj in motenj, uporabi strožjih časovnih omejitev za zagotavljanje zanesljive komunikacije pri večjih podatkovnih hitrostih, ter izboljšani varnosti.

Tudi ponudniki CAN sprejemnikov-oddajnikov so se odzvali na oblikovalske zahteve z bolj integriranimi rešitvami, ki vključujejo izboljšave CAN omrežja, da bi bolje izkoristili nove aplikacije, kot so napredni sistemi za pomoč voznikom (ADAS), sistemi za prenos moči in zabavne informacije (»infotainment«).

V tem članku je na kratko opisano CAN omrežje in njegove izboljšave, vključno s tem, kako se lahko oblikovalci spopadejo s prehodom na naprednejše različice, kot je CAN FD. V članku bodo predstavljene primerne rešitve za CAN omrežje ter kako jih uporabljati za hitrejši prenos podatkov, večjo zanesljivost in večjo varnost.

Prilagodljiva podatkovna hitrost CAN
Ker vozila danes vsebujejo več elektronike, oblikovalci zahtevajo boljše delovanje, vendar namesto da bi preklopili na povsem drugo omrežje, lahko izkoristijo izboljšave CAN omrežja, najprej s CAN FD. To zagotavlja hitrosti do 5 Mbit/s, za razliko od 1 Mbit/s (največ) pri izvorni specifikaciji CAN omrežja, določeni v standardu ISO 11898. Ta omejitev hitrosti je oblikovalce avtomobilov prisilila, da v vozilo dodajo več CAN omrežnih naprav in povezav, kar neizogibno pomeni več žic, izgub napajanja in večjo težo.

CAN FD standard odpravlja zagato glede pasovne širine in povečuje podatkovne hitrosti na 2 Mbit/s v nazivnih pogojih in 5 Mbit/s v načinu programiranja. V to večjo izboljšavo CAN omrežja je vključena spremenjena hitrost sličic, ki povečuje podatkovno polje z 8 bajtov na 64 bajtov za učinkovitejšo podporo aplikacij, ki porabljajo veliko podatkov (slika 1).

Prehod s klasičnega CAN na CAN FD omrežje
Količina podatkov, prenesenih po omrežjih znotraj vozil, nenehno narašča, saj se dodaja vse več kamer in senzorjev, vključno s tistimi za napredne sisteme za pomoč voznikom (ADAS). Hitrejša CAN FD omrežja sicer pomagajo, vendar v fazi razvoja zahtevajo večjo natančnost. Primer: pri večjih podatkovnih hitrostih se razpoložljivi okvir za stabilizacijo bitne vrednosti hitro krči, kar povečuje možnost napak in spodkopava inherentno zanesljivost CAN omrežja.

276 14 02 300x242 - Najnovejše izboljšave CAN vodil zagotavljajo zanesljivo, varno in zelo hitro komunikacijo v vozilih

Slika 2: CAN sprejemnik-oddajnik MCP2561/2FD ima zagotovljeno simetrijo zanke, kar omogoča daljše omrežne povezave in več vozlišč na CAN vodilu. (Vir slike: Microchip Technology)

Obstajajo tudi težave, kot je slepi tok pri motnjah, ki ga lahko povzroči hitrejši prenos podatkov znotraj CAN omrežja. Poleg tega uvedba CAN FD sistema poleg klasičnega CAN omrežja predstavlja velik izziv pri zagotavljanju tega, da zaradi hibridnega omrežja ne prihaja do napak.

Za pomoč pri odpravljanju nekaterih napak je podjetje Microchip Technology predstavilo hitri CAN sprejemnik-oddajnik MCP2561/2FD. Ta naprava ponuja enake jedrne funkcije kot njen predhodnik, model MCP2561/2, vendar k temu dodaja zagotovljeno simetrijo zakasnitve zanke za podpiranje večjih podatkovnih hitrosti, ki so zahtevane za CAN FD (slika 2). To pa posledično zmanjšuje največjo zakasnitev širjenja, da bi lahko podpiralo daljše omrežne povezave in več vozlišč na CAN vodilu. Povedano natančneje – CAN sprejemnik-oddajnik MCP2561/2FD ima največjo zakasnitev širjenja 120 nanosekund (ns).

Podjetje Microchip in drugi dobavitelji CAN sprejemnikov-oddajnikov uvajajo tudi mehanizem delnega mreženja, ki je skladen z ISO 11898-2:2016 standardom. Delno mreženje zagotavlja gladek prehod s klasičnega CAN omrežja na hitrejše CAN FD sisteme prek podpiranja izbirne funkcionalnosti bujenja ter neodvisnega predhodnega določanja napetosti ali tokov vodil.

Primer: hitri CAN sprejemnik-oddajnik NXP SemiconductorsTJA1145 podpira podatkovne hitrosti do 2 Mbit/s in vključuje delno mreženje prek izbirne funkcije bujenja, imenovane FD Passive. Običajnim CAN krmilnikom, ki jim ni treba oddajati CAN FD sporočil omogoča, da med CAN FD komunikacijo ostanejo v načinu spanja/pripravljenosti, brez ustvarjanja napak v zvezi z vodili.

Sčasoma bodo vsi CAN krmilniki morali postati skladni s standardom hitrih CAN vodil, s čimer se bodo vsa vozlišča CAN vodil spremenila v FD Active vozlišča. Do takrat bo delno mreženje premostilo vrzel med svetovoma klasičnega CAN in CAN FD omrežja.

Podjetje NXP ponuja tudi CAN FD Shield tehnologijo, ki dinamično filtrira CAN FD sporočila z zelo natančnim oscilatorjem. Kar se delnega mreženja tiče, CAN sprejemniki-oddajniki z FD Shield funkcijo ponujajo neposredno zamenjavo za obstoječe sprejemnike-oddajnike, tako da spremembe programske opreme niso potrebne. Podjetje NXP je dokončalo razvoj svoje FD Shield tehnologije z Automotive Open Systems Architecture (AUTOSAR) arhitekturo in vzorce daje na razpolago glavnim proizvajalcem originalne avtomobilske opreme ter dobaviteljem 1. stopnje.

Zaščita vodil z manjšimi CAN sprejemniki-oddajniki
Oblikovalci lahko poleg hitrejšega prenosa podatkov izkoriščajo tudi CAN rešitve z visoko stopnjo integracije, ki znižujejo BOM stroške in zmanjšajo prostor na plošči. Vendar so si naprave pogosto blizu, poleg tega pa so blizu drugi občutljivi elektroniki, zato morate paziti, da ne povzročajo motenj ali postanejo občutljive na motnje, zaradi česar so elektromagnetne motnje (EMI) in imunost na šume pomembne značilnosti. CAN sprejemniki-oddajniki pogosto uporabljajo diskretne filtre, dušilke navadnega načina ter naprave za zaščito pred prehodno napetostjo (TVS), da bi odpravili težave z ESD in EMI.

Več informacij o pomembni temi TVS zaščite za CAN vodila najdete v članku Digi-Key »Oblikovanje na področju zaščite diode TVS izboljšuje zanesljivost vodil CAN«.

276 14 03 300x300 - Najnovejše izboljšave CAN vodil zagotavljajo zanesljivo, varno in zelo hitro komunikacijo v vozilih

Slika 3: CAN sprejemnik-oddajnik TCAN1042 zagotavlja funkcije zaščite za izboljšanje robustnosti CAN omrežja in se uporablja pri aplikacijah, kot so HVAC nadzorni moduli za avtomobile in pametni VF daljinski upravljalniki. (Vir slike: Texas Instruments)

Vendar pa avtomobilski oblikovalci vedno bolj iščejo načine za zmanjšanje teže in stroškov pri CAN načrtovanju. Primer: pri sprejemnikih-oddajnikih TCAN1042 in TCAN1051 proizvajalca Texas Instruments je bila odstranjena dušilka, da bi se število komponent zmanjšalo, še vedno pa je izdelek skladen s strogimi zahtevami glede imunosti na šume (slika 3).

Zaščita pred visoko stopnjo okvare vodil in elektrostatično razelektritvijo (ESD) je ključnega pomena v CAN sistemih, ki zdaj izpolnjujejo zahteve 12-, 24- in 48-voltnih akumulatorjev v vozilih ter 24-voltnih virov napajanja v industriji. Priključke CAN vodila varuje pred kratkim stikom pri enosmernem toku z boljšim ujemanjem z izhodnimi signali.

Sprejemnika-oddajnika TCAN1042 in TCAN1051 zagotavljata ESD zaščito do ±15 kilovoltov (kV), kar lahko odpravi potrebo po zunanjih TVS diodah. Oblikovalci lahko tudi hitro in enostavno ocenijo delovanje teh CAN sprejemnikov-oddajnikov z modulom za ocenjevanje TCAN1042DEVM, ki ponuja tudi informacije o prekinitvi CAN vodil, filtriranju CAN vodil in konceptih zaščite.

Naslednji mejnik za CAN omrežje: varnost
Omrežja v vozilih za povezovanje elektronskih ECU nadzornih enot, ki temeljijo na CAN omrežju, so relativno preprosta in lahka za uporabo. Vendar pa lahko ena sama ECU enota z ogroženo varnostjo povzroči, da je celo vozilo ranljivo za vdore. Splošno znana možnost za zaščito komunikacij CAN temelji na mehanizmu kod za preverjanje pristnosti sporočil (MAC), ki uporablja kriptografijo in zapleteno upravljanje ključev. Vendar pa šifriranje CAN sporočil povečuje obremenitev CAN vodil, latentnost sporočil in porabo energije. Zaradi pomanjkanja moči za računanje v trenutno nameščenih CAN krmilnikih obstaja tudi težava z nadgradnjo omrežij v vozilih za varno CAN komunikacijo.
Novejšim CAN sprejemnikom-oddajnikom so priloženi preprostejši mehanizmi, ki zaobidejo stroške za pasovno širino, zakasnitve in obremenitve pri obdelovanju. Ti zaščiteni CAN sprejemniki-oddajniki lahko filtrirajo ID-je sporočil, tako da če ogrožena ECU enota poskusi poslati sporočilo z ID-jem, ki mu izvirno ni dodeljeno, lahko sprejemnik-oddajnik zavrne prenos tega sporočila v CAN vodilo (slika 4). Poleg preprečevanja poskusov prevar lahko CAN sprejemnik-oddajnik prepreči poskuse posegov in preplavljanja z razveljavitvijo sporočila v ogroženi ECU enoti.

Ti CAN sprejemniki-oddajniki zagotavljajo zaščito pred preplavljanjem, prevarami in posegi brez uporabe kriptografije. Zaznajo lahko kibernetski incident, če se sporočilo razveljavi na vodilu z aktivno oznako napake. Nato zaščiteni CAN sprejemnik-oddajnik začasno prekine povezavo med lokalnim gostiteljem in CAN vodilom.

Če pa ni zaznana nobena grožnja za varnost, CAN sprejemniki-oddajniki delujejo kot standardni hitri CAN sprejemnik-oddajnik. Povedano drugače – ti varni CAN sprejemniki-oddajniki so lahko direktna zamenjava za standardne CAN sprejemnike-oddajnike v podobnem ohišju.

276 14 04 300x196 - Najnovejše izboljšave CAN vodil zagotavljajo zanesljivo, varno in zelo hitro komunikacijo v vozilih

Slika 4: Za zmanjšanje latentnosti in zahtev po pasovni širini in hkratno zaščito CAN omrežja novejši sprejemniki-oddajniki filtrirajo ID-je sporočil. (Vir slike: NXP Semiconductors)

Dobavitelji, kot je NXP, v celoti uvajajo varnostne funkcije v strojno opremo, s čimer omogočajo, da se varnostne operacije CAN sprejemnika-oddajnika izvajajo neodvisno od CAN krmilnikov. To pa posledično odpravlja potrebo po spremembah programske opreme ECU enote in s tem povezano tveganje motenj delovanja ECU enote.

Poleg tega varni CAN sprejemnik-oddajnik beleži dnevnik poročil o varnostnih incidentih na vodilu. Ti CAN sprejemniki-oddajniki lahko ščitijo tudi lastne posodobitve konfiguracije in lahko tako delujejo kot sistem za zaznavanje vdorov.

Zaključek
CAN vodilo je svojo pot začelo leta 1983, vendar, kot je bilo prikazano v tem članku, se je dobro prilagodilo komunikacijskim zahtevam oblikovalcev avtomobilske elektronike. Kar je najpomembneje, CAN sprejemniki-oddajniki so v fazi sprememb in prehoda na hitrejša CAN FD omrežja. Drugič, CAN sprejemniki-oddajniki izboljšujejo zanesljivost ter hkrati znižujejo BOM stroške in omogočajo zmanjšanje velikosti pri oblikovanju z odpravljanjem zunanjih komponent, kot so dušilka navadnega načina in TVS diode. Nazadnje, CAN sprejemniki-oddajniki igrajo svojo vlogo pri zaščiti CAN vodila prek vgradnje varnostnih funkcij v strojno opremo sprejemnika-oddajnika. Slednje ne zaščiti le CAN vodila, temveč tudi prihodnost povezanega avtomobila.

www.digikey.com
Tags: