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原创物联网行业中汽车电子控制系统分享_CAN接口芯片详解

 2024-9-26 14:27  154 0 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用CAN接口芯片

物联网系统中使用CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）接口芯片的原因主要可以归纳为以下几点：

高可靠性和稳定性

差分信号传输：CAN接口芯片采用差分信号传输技术，这种技术能够有效抗干扰和抑制传输误码，从而确保数据传输的可靠性和稳定性。这对于物联网系统来说至关重要，因为物联网系统往往需要在复杂多变的环境中进行数据传输，而CAN接口芯片的高可靠性能够确保数据传输的准确性和完整性。
错误检测和纠正：CAN协议内置了循环冗余校验（CRC）和错误检测的确认机制，能够及时发现并纠正传输过程中的错误，进一步提高数据传输的可靠性。

高带宽和实时性

高速传输：CAN接口芯片支持高速传输，能够在短时间内传送大量数据，这对于需要实时数据传输的物联网系统来说尤为重要。例如，在工业自动化、智能交通等领域，实时性是系统性能的关键指标之一。
低延迟：CAN总线采用载波检测多址和碰撞检测（CSMA/CD）机制，确保设备在传输数据前能够感知总线是否空闲，从而避免数据碰撞和延迟。这种机制使得CAN接口芯片在物联网系统中能够实现低延迟的数据传输。

多设备连接和扩展性

多节点通信：CAN接口芯片支持多节点之间的通信，能够实现设备之间的高效连接和数据交换。在物联网系统中，往往需要连接多个设备以实现复杂的功能和场景应用，而CAN接口芯片的多设备连接能力能够满足这一需求。
易于扩展：随着物联网系统的不断发展和完善，可能需要连接更多的设备或扩展更多的功能。CAN接口芯片具有良好的扩展性，能够轻松实现系统的扩展和升级。

简化系统结构和降低成本

简化布线：CAN接口芯片具有较高的集成度，能够减少系统中的连接线路和外围设备，从而简化系统结构和布线难度。这有助于降低系统的复杂性和维护成本。
降低成本：由于CAN接口芯片具有多种功能和优势，因此在物联网系统中使用CAN接口芯片可以降低整体系统的成本。同时，由于CAN总线技术的广泛应用和标准化程度较高，因此相关设备和配件的成本也相对较低。

应用场景

目前，CAN收发器系列芯片已广泛应用于汽车BMS系统、车载ECU、仪表控制盘、车身控制、智能驾驶、车载诊断仪、工业PLC、电梯控制器、电力保护装置等诸多领域。

典型应用案例（芯力特公司的第三代高速CAN FD收发器）

SIT1043Q属于芯力特公司的第三代高速CAN FD收发器，目前已经通过第三方AEC-Q100认证、德国益驰CAN通信一致性测试、德国C&S兼容性测试。相比第一代基础SIT1040Q和第二代CAN FD SIT1042Q CAN收发器，此芯片引脚更多功能更全。SIT1043Q在实现基本CAN收发器功能的同时，增强了电磁兼容性(EMC)性能，并引出SPLIT引脚稳定总线信号共模输出，支持与电压为3V至5V的MCU TXD&RXD电平适配。除此之外，同时还具有的高级功能包括：

支持通过INH引脚使能关断整个节点电源，只保留SIT1043Q CAN收发器待机工作实现节点功耗最低；
支持5种工作模式，5种模式MCU可以通过控制EN、STB引脚自由切换；
支持睡眠与待机低功耗模式下本地和远程唤醒，并具有唤醒源识别功能；
支持多种保护和网络诊断功能，其中包括CAN总线短路检测和电池短路检测；
支持部分信号增强功能（CAN SIC功能），芯片增加振铃抑制与斜率控制电路，实现数据高速通信下减少总线噪声消除总线振铃干扰，提供可靠稳定的数据传输。

1、SIT1043Q CAN收发器在某汽车网关应用

网关是汽车的中央枢纽，可安全地互连和处理异构汽车网络来往于不同功能域的数据，例如动力、底盘和安全性、车身控制、车载信息娱乐系统、远程信息处理和高级驾驶辅助系统。汽车网关处理不同的通信协议，如CAN、LIN、FlexRay和千兆以太网，同时安全地实时过滤数据，以防黑客攻击。网关还为汽车内的不同电子控制单元(ECU)提供无线(OTA)固件升级。

2、SIT1043Q CAN收发器在汽车BMS电池产品应用

在BMS系统中，当车辆没有充电时，如果BMS系统的超低功耗待机，对延长汽车停放时间，增加汽车续航里程是比较完美的解决方案。客户选用芯力特SIT1043Q CAN收发器来进行系统功耗控制管理，当BMS系统非充电时，SIT1043Q CAN收发器进入睡眠模式，在睡眠模式下内部模式控制电路将SIT1043Q自动切换到由VBAT 供电，同时INH引脚默认为高阻态，此时通过INH引脚控制LDO的使能EN=L，从而关断LDO的+5V电源输出，使BMS系统只保留SIT1043Q CAN收发器待机工作，从而实现大大降低系统功耗，减少电池能量损耗。

综上所述，物联网系统中使用CAN接口芯片的原因主要包括高可靠性和稳定性、高带宽和实时性、多设备连接和扩展性以及简化系统结构和降低成本等方面。这些优势使得CAN接口芯片在物联网系统中得到了广泛的应用和推广。

本文会再为大家详解CAN芯片家族中的一员——CAN接口芯片

CAN接口芯片的基本概念

CAN收发器是一种用于CAN总线通信的专用芯片，主要用于将CAN控制器和CAN总线物理层之间的信号进行转换和调节。

它的主要作用是将CAN控制器输出的数字信号转换为CAN总线所需要的物理信号，同时将CAN总线上接收到的物理信号转换为数字信号，并将其传递给CAN控制器进行处理。

CAN收发器在整个CAN网络中扮演着至关重要的角色。它类似于一个转换器，将CAN控制器输出的TTL信号（逻辑电平）转换成CAN总线的差分信号。这种差分信号在两条具有差分电压的总线电缆上进行传输，从而实现了数据在CAN总线上的通信。CAN收发器的功能包括：

支持CAN总线的高速和低速传输，以满足不同的应用需求。

电气隔离：CAN收发器可以提供电气隔离，从而避免CAN总线上的电气噪声和瞬态影响CAN控制器和其他设备的正常工作。
抑制电磁干扰：CAN收发器可以通过抑制电磁干扰，从而减少CAN总线上的噪声，保证数据传输的可靠性。
自动发送/接收控制：CAN收发器可以自动检测和控制发送和接收状态，从而简化CAN总线应用的设计和实现。
状态指示灯：CAN收发器可以提供状态指示灯，用于指示CAN总线的状态和错误信息，方便用户进行故障排查。
温度控制：CAN收发器可以具备温度控制功能，以确保CAN总线在各种环境条件下的正常工作。

总之，CAN收发器是CAN总线中非常重要的组成部分，它可以将CAN控制器和CAN总线物理层之间的信号进行转换和调节，从而确保CAN总线通信的稳定和可靠性。

CAN接口芯片主要参数

CAN收发器是连接CAN控制系统与CAN总线网络的桥梁，当选型CAN收发器时应该注意以下几个参数：

1、输入特性

对于隔离CAN收发器，输入主要指连接CAN控制器一侧的输入特性，包含电源输入与信号输入。

根据控制器的CAN接口电压可选择3.3V或5V供电的CAN模块，隔离CAN模块正常输入范围为VCC±5%，主要考虑CAN总线电平能保持在典型值范围内，同时也使次级的CAN芯片工作在标称电源电压附近。

对于单独的CAN收发芯片，需要对芯片的VIO引脚接入与TXD信号电平相同的参考电压，以匹配信号电平，若没有VIO引脚，则应保持信号电平与VCC保持一致。使用CTM系列隔离收发器时需要匹配TXD的信号电平与供电电压一致，即3.3V标准CAN控制器接口或5V标准CAN控制器接口。

2、传输特性

CAN收发器的传输特性主要为三个参数：发送延迟、接收延迟、循环延迟。选择CAN收发器时我们认为其延迟参数越小越好，但小的传输延迟会带来什么好处，是什么因素限定了CAN网络的传输延迟？

图1 CAN收发器延迟特性

在CAN协议中，发送节点通过TXD发送数据的同时，RXD也在监测总线状态。若RXD监位与发送位不一致，则节点检测到一个位错误。若在仲裁场监测到的与实际发送不符，则节点停止发送，即总线上有多个节点同时发送数据，该节点没有获得数据发送优先权。

同样在数据校验和ACK响应位，均需要RXD实时获取到总线的数据状态。比如网络正常通讯中，排除节点异常，为了可靠接收到ACK响应，就要保证ACK位在一定的时间内传输到控制器的RXD寄存器中，否则发送节点将检测到一个应答错误。在1Mbps下设定采样位置为70%。则从TXD发送，到RXD接收到ACK位，控制器会在ACK位时间起始的70%时间点采样，即整个CAN网络的循环延迟要小于700ns。

在隔离CAN网络中，这个参数主要由隔离器延迟，CAN驱动器延迟，线缆长度决定。因此小的延迟时间有助于ACK位的可靠采样，增长总线长度。如图2为使用CTM1051KAT收发器两个节点通讯的ACK响应。收发器固有的典型延迟时间约为120ns。

图2 CAN网络ACK响应

3、总线电平

在ISO11898-2规定的高速CAN网络中，通常我们关心差分信号的幅值，这是总线数据传输的关键。目前有少数支持3.3V供电的CAN收发芯片，可直接应用于3.3V的控制系统中。

由于CAN收发器的结构特性，CANH、CANL电平与电源相关，虽然5V与3.3V工作电压的CAN收发器输出差分电平典型值相同，但3.3V收发器CANH、CANL相对于参考GND的幅值偏低，为2V左右，如TI的TCAN334。使用这两种不同收发器组网，使用一般双绞线或屏蔽双绞线单点接地则完全可正常工作。若使用双层屏蔽双绞线，由于CANH、CANL、GND均为信号连接，则会因为两种收发器的总线电压对地幅值不同会造成通信异常。因此实际使用要避免其GND直接连接。

图3 收发器总线电平

4、显性超时

显性超时的增加主要是为了防止CAN总线网络由于硬件或软件故障使得TXD长期处于“0”电平状态。TXD保持“0”意味着CAN网络为显性电平，整个网络的所有节点都不能收发数据，即总线处于瘫痪状态。显性超时可以通过收发器的硬件计时避免总线出现这种情况。

如图4所示，Tdom为显性超时时长，每次TXD为“0”时收发器开始计时，超过Tdom时收发器内部释放总线，总线状态处于隐性电平。不同收发器的显性超时时间不同，实际应用需要考虑显性超时时间对总线最低波特率的影响。CAN协议规定错误帧最多可以有11个连续的显性位，为了避免显性超时不对其造成影响，可以根据收发器的最小显性超时时间计算实际使用的最低波特率。

BPSMin = 11/Tdom_min

如CTM1051Q的显性超时时间为0.3ms，则计算最小波特率为11/0.3=36.67kbps。

图4 显性超时时序

5、睡眠唤醒

ISO11898-5给出了低功耗模式的高速CAN总线单元，CAN收发器可以处于睡眠模式以降低功耗，并通过一定的总线时序唤醒收发器。如图 5为CTM1044KAT的唤醒时序图，睡眠状态下，当总线出现长度大于TWK的3个显性、隐性、显性的电平后，睡眠状态的收发器即被唤醒，中途遇到的任何小于TWK的干扰信号电平将被硬件过滤。

TWK的定义是为了使收发器仅安全可靠地接收唤醒信号，避免由于总线干扰导致误触发。CAN控制器收到RXD信号后，可通过软件设置触发唤醒控制器，从而进一步设置模块STB引脚进入正常工作模式。这种唤醒模式中，当总线的所有节点都处于睡眠状态时，只要总线某个节点发出信号，所有节点都会被唤醒。

图5 睡眠唤醒时序

CAN收发器的选型有很多的学问，关系到整体CAN网络的稳定性与可靠性。为保证组网网络的稳定可靠，可以选择目前主流的全隔离CAN收发器模块。

CAN FD介绍

CAN和CAN FD的物理层作用是一样的，都是将3.3V/5V的逻辑信号转换成差分信号，只是CAN的最高速率是1Mbps，CAN FD的最高速率是8Mbps。新出的收发器一般都是CAN和CAN FD同时支持的，只是型号尾缀不一样。传统的CAN一帧最多只能传输8个字节的数据，而CAN FD一帧最多可传输64个字节，可以有效地避免数据拆分传输的情况。

CAN接口芯片主流厂商型号介绍

NXP的CAN(FD)收发器介绍

提到CAN(FD)收发器，NXP一直都是这个领域的领头羊，也是其他做CAN收发器的芯片厂家模仿的对象，目前为止，NXP还是这个领域的第一。下面将根据CAN(FD)收发器的功能分类进行介绍。

Basic CAN(FD)

Basic CAN(FD)收发器，顾名思义，就是基础CAN(FD)收发器，通常有一个控制引脚用来切换Normal mode和Silent mode，不带有低功耗模式。一般符合11898-2的标准，电平标准如下（摘自NXP的应用笔记AH1014）：

Basic CAN(FD)收发器根据CANH和CANL的耐压不同分为两类（以TJA1057为例，如下图），一种是支持12V系统的，用在乘用车上，耐压<42V；一种是12V和24V系统都支持的，也可以用在商用车上，耐压58V。

基础版收发器一般用在不需要待机休眠的产品上，如发动机ECU，变速箱TCU，底盘控制模块CCM，电子助力转向EPS等。主要型号如下：

12V系统：TJA1050，TJA1057和TJA1441，由于TJA1050属于老产品，性能偏弱且不支持CAN FD，不推荐使用。TJA1441是今年刚刚量产的，供电范围由于TJA1057，有一个子系列TJR1441达到AEC-Q100 Grade 0等级，支持150℃的环境温度。
12/24V系统：TJA1051，如果新项目用于乘用车，推荐换成TJA1057，因为EMC性能做过优化，EMC要求不是特别高的情况下，可以省去共模电感。

Standby mode CAN(FD)

此收发器相比基础版本增加了standby的低功耗模式，此模式的功耗在10uA左右，如下图所示（以TJA1044为例）。同时CAN收发器处在standby模式时会开启CAN总线唤醒功能，当CAN总线上有数据时，RXD会产生从高到低的跳变沿，此跳变沿可以被MCU用来做唤醒源。

Standby CAN收发器相比基础版本除了增加低功耗模式之外，还增加了一个split引脚（TJA1040和TJA1042），主要是解决CAN总线信号对称性不好的情况。如果是终端节点，建议120Ω的终端电阻分成两个60Ω串联，并接上split引脚，如果不是终端节点，换成两个1.3kΩ的电阻串联，或者使用车厂指定的值。如下是TJA1042T的推荐电路图。TJA1044因为内部做了优化，不再需要split引脚。

此种收发器一般用在KL30（长电）和KL15同时供电的产品上，如仪表，中控，导航等产品。

主要型号如下：

12V系统：TJA1040，TJA1044和TJA1442，TJA1040不推荐新项目使用，TJA1442是新产品，子系列TJR1442支持150℃环境温度。
12/24V系统：TJA1049和TJA1042，TJA1049很少有客户使用，但是TJA1042是目前市场上用的最多CAN收发器之一，如果目标应用是12V系统的，建议切换到TJA1044，尤其是TJA1044G版本，可以裸板过class 5。

Standby mode CAN(FD) + Dual channel

两路CAN通道的standby CAN收发器，使用的客户不多，我只看到一些做毫米波雷达的客户使用。

主要型号如下：

12V系统：TJA1046和TJA1448，TJA1448是今年刚刚量产的，相比TJA1046，供电范围更宽，standby模式下功耗更低，也有Gtade 0等级的TJR1448。
12/24V系统：TJA1059和TJA1048，TJA1059用的客户相对多一些。

Standby mode CAN(FD) + Isolation

带隔离功能的CAN收发器，在MCU和CAN总线之间提供隔离接口，防止汽车内的高压通过CAN总线传递到低压区域，芯片框图如下（以TJA1052i为例）。

一般新能源车内和高压电池包有连接的产品会用到此芯片，如空调压缩机的控制器等。

主要型号如下：

12V系统：暂无
12/24V系统：TJA1052i，现在也有许多客户使用隔离芯片加TJA1042/TJA1044的分立方案替代TJA1052i，或者使用国产的模块方案。

Standby mode CAN(FD) + SIC

虽然很多CAN收发器已经升级到可以支持CAN FD，但是和之相连的CAN总线线束并没有随之提升，一旦CAN FD通信速率达到2Mbps或者更高，振铃会非常大，影响信号传输质量。NXP推出的带SIC（Signal Improvement Capability）功能的TJA146x芯片可以很好的解决该问题。

目前长安车厂会建议他们的供应商使用NXP的TJA146x芯片用于高速率的CAN FD通信。

主要型号如下：

12系统：TJA1462，对于2Mbps及以上的CAN FD通信，强烈推荐客户使用TJA146x系列，如下是传统CAN收发器和TJA1462在2Mbps CANFD通信下的对比图（详情参考NXP的应用笔记AH2002第15章节）：

12V/24V系统：暂无

Sleep mode CAN(FD)

standby模式下的功耗已经很低了，如果车厂要求功耗做的更低，或者要求支持本地唤醒，此时就需要使用带sleep模式，INH引脚和wake引脚的收发器了。

以TJA1043为例，如下面应用电路图，当MCU配置TJA1043进入sleep模式之后，INH引脚拉低，LDO关闭输出，MCU关闭不消耗电流。当CAN总线有唤醒信号，或者wake引脚有跳变沿，INH引脚被拉高，LDO打开输出，MCU启动并配置TJA1043进入Normal模式接收CAN报文。

TJA1043增加了诊断引脚ERR，不过由于限制条件太多，不推荐使用。

主要型号如下：

12V系统：TJA1041(A)和TJA1443A，TJA1041产品较老，推荐使用新产品TJA1443，同样也有Ta=150℃的TJR1443A。
24V系统：TJA1043(A)，推荐使用TJA1043A，价格更好。

Sleep mode CAN(FD) + SIC

主要型号如下：

12V系统：TJA1463，Ta=150℃的型号为TJR1463
24V系统：

Sleep mode CAN(FD) + Partial networking

像T-BOX这类应用，一般对低功耗的要求更严格，如果使用TJA1043这类收发器，一旦被和自己不相关的CAN报文唤醒之后，需要软件进行判断处理，尽快的再次进入休眠模式。此时就对CAN收发器提出了新的功能需求，既局部网络唤醒功能，相关标准为11898-6:2013。NXP支持该功能的收发器为TJA1145，可以通过SPI接口配置唤醒报文的速率，ID和数据，不满足条件的CAN报文无法唤醒TJA1145。

需要提醒的是，TJA1145不支持CAN FD的局部网络唤醒功能，如果TJA1145被用于CAN FD总线中，需要选用TJA1145T/FD and TJA1145TK/FD，其他型号接收到CAN FD的唤醒信号会识别为错误信号。

主要型号如下：

12V系统：暂无
24V系统：TJA1145(A)，TJA1145马上停产，建议使用TJA1145A。

Fault-tolerant CAN

有些车厂对于一些安全性比较高的场合会使用低速容错CAN总线，要求供应商使用的CAN收发器满足标准11898-3。低速容错CAN和普通CAN不一样，最高速率只有125K bps，且CAN总线断了任意一根之后，仍可以使用另一个线继续通信。低速从错CAN的电平标准如下图（摘自NXP的应用笔记AH0801），和普通CAN的电平标准不一样。

主要型号如下：

12V系统：TJA1054(A)，暂未遇到使用的客户。
12V/24V系统：TJA1055，有客户给车厂PSA做的中控项目用到过。

Single Wire CAN

MC88987是单总线CAN收发器，CAN收发器总结如下图所示：

TI的CAN(FD)收发器介绍

TI的CAN收发器在市场上的份额也比较大，并且做了很多和NXP引脚兼容，命名相似的产品，大家见的最多的应该就是TCAN1042了。TI的官网的官网将其CAN收发器分成了四类，如下图所示：

主要介绍汽车 CAN收发器介绍如下。

5V CAN(FD)收发器

TI的汽车级5V CAN(FD)收发器大概两种，一种是和NXP做引脚兼容的，一种是增加新特性的。和NXP做兼容的型号主要有：

基础类：SN65HVDA1050A-Q1，TCAN1051，TCAN1057
支持Standby：SN65HVD1040-Q1，TCAN1042，TCAN1044
双通道Standby：TCAN1046，TCAN1048，
隔离Standby：ISO1042-Q1（总线耐压更高，达到±70V）
支持sleep：TCAN1043，TCAN1463

增加新特性的型号主要有：

内部自带5V电源的：TCAN1162-Q1
IO口电平支持1.8V的：TCAN1044AV-Q1，TCAN1057AV-Q1，TCAN1046AV-Q1
增加看门狗和LIMP功能的：TCAN1144-Q1，TCAN1146-Q1
集成CAN FD控制器的：TCAN4550-Q1
总线耐压达到±70V的，TCAN1042H，TCAN1044H这类带H尾缀的

3.3V CAN收发器

TI还有3.3V的CAN收发器，和5V CAN收发器的总线电平对比如下：

汽车级的3.3V CAN收发器如下图所示，不过笔者没怎么遇到使用3.3V CAN总线的车厂，一般现在MCU是3.3V供电的，也会选择带Vio引脚的5V CAN收发器，Vio引脚和MCU来自同一个供电源就可以了。

Infenion的CAN(FD)收发器介绍

从Infeion官网下载的选型手册看，主要分为带wake-up功能和不带wake-up功能两类收发器，如下图所示：

不带wake-up功能

不带wake-up功能的CAN(FD)收发器的主要型号如下图：

带wake-up功能

带wake-up功能的CAN(FD)收发器的主要型号如下图：

ON的CAN(FD)收发器

ON的收发器种类相比NXP和TI不算太多，基本都是和NXP做引脚兼容，命令也比较相似。

基础类：NCV7351，NCV7357
支持Standby：NCV7340，NCV7342，NCV7344，NCV7349
双通道Standby：NCV7441，NCV7446
支持sleep：NCV7341，NCV7343
单线CAN：NCV7356

供应商A:NXP

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1:TJA1057GTK

对应的产品详情介绍

TJA1057是Mantis系列高速CAN收发器的一部分。它提供了控制器局域网（CAN）协议控制器和物理双线CAN总线之间的接口。该收发器专为汽车工业中的高速CAN应用而设计，为（带有CAN协议控制器的）微控制器提供差分传输和接收能力。

TJA1057提供了一套针对12V汽车应用进行优化的功能，与NXP的第一代和第二代CAN收发器（如TJA1050）相比有了显著改进，并具有优异的电磁兼容性（EMC）性能。当电源电压关闭时，TJA1057还对CAN总线显示出理想的被动行为。

TJA1057GT（K）/3变体上的Vo引脚允许与3.3 V和5 V供应的微控制器直接接口。

TJA1057实现了ISO 11898-2:2016和SAE J2284-1至SAE J2284-5中定义的CAN物理层。TJA1057T被指定用于高达1Mbit/s的数据速率。定义环路延迟对称性的附加定时参数被指定用于其他变体。这种实现方式能够以高达5Mbit/s的数据速率在CAN FD快速相位中实现可靠的通信。

这些功能使TJA1057成为只需要基本CAN功能的HS-CAN网络的绝佳选择。

通用功能

完全符合ISO 11898-2:2016和SAE J2284-1至SAE J2284-5
优化用于12V汽车系统
EMC性能满足汽车应用中LIN、CAN和FlexRayInterfaces的硬件要求，1.3版，2012年5月。
TJA1057x/3变体上的Vo输入允许与3V至5V微控制器直接接口。没有Vo引脚的变体可以与3.3 V和5 V供电的微控制器接口，前提是微控制器I/O耐受5 V。
AEC-Q100认证深绿色产品（无卤素，符合RoHS）
Vio和非Vo变体都有SO8和无引线HVSON8（3.0mm x 3.0mm）封装；HVSON8具有改进的自动光学检测（AOl）功能。

可预测和故障安全行为