Pro vozidla, která mají na palubě mnoho elektroniky je nutné používat sběrnici s vyšším výkonem. Místo volby jiné komunikační technologie je lepší zvolit vylepšení CAN v podobě CAN FD. Ta poskytuje rychlost až 5 Mbits/s. Původní specifikace CAN definovanou v normě ISO 11898 poskytuje rychlost pouhých 1 Mbits/s. Dříve se toto omezení rychlosti dat řešilo tím, že se do vozidla přidala další síťová zařízení CAN. To nevyhnutelně vedlo k nárůstu kabeláže, hmotnosti a ztrátám energie.

CAN FD -  Flexible Data Rate

Má vyšší propustnost, využívá techniky pro částečné vytvoření sítě, má implementovány algoritmy pro zvládání úniků a eliminaci rušení, zvyšuje spolehlivost komunikace při vyšších rychlostech a zvyšuje bezpečnost celého systému. Standard CAN FD komunikuje rychlostí 2 Mbits / s a v režimu programování dokonce rychlostí 5 Mbits / s. Kromě zvýšení rychlosti dochází také ke zvýšení datového pole z 8 bytů na 64 bytů pro efektivnější podporu datově náročných aplikací (obrázek 1).

Poskytovatelé hardware pro sběrnici CAN, zejména transceiverů, sami reagovali na požadavky zákazníků a integrovali CAN FD, které se používá pro pokročilé asistenční systémy (ADAS) a informační systémy. Tento článek stručně pojednává o CAN FD, včetně toho, jak lze na tuto technologii přejít.

Obrázek 1: Standard CAN FD aktualizovaný v roce 2012 rozšiřuje maximální počet datových bytů v Payloadu (užitečná data) z 8 na 64 bytů. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Přechod z klasického CAN na CAN FD

Množství dat přenášených napříč sítěmi ve vozidle se neustále zvyšuje. Je to dáno tím, že vozidla jsou vybaveny kamerami, senzory, včetně pokročilého asistenčního systému řidičů (ADAS). Vyšší rychlost CAN FD sítě sice pomáhá řešit problémy s velkým objemem dat, ale má to i své stinné stránky. Při vyšších rychlostech dat se zvyšuje potenciál chyb a ohrožuje se tak spolehlivost. Při vyšších rychlostech se zvyšuje riziko svodových proudů. Navíc při implementaci systému CAN FD vedle klasického CAN se musí zamezit propojení těchto sítí. To by znamenalo nefunkčnost obou komunikačních cest.

Pro řešení některých z těchto problémů společnost Microchip Technology dodává vysokorychlostní transceiver MCP2561/2FD. Tento čip nabízí stejné základní funkce jako jeho předchůdce MCP2561/2, ale přidává zaručenou symetrii smyčky pro podporu vyšších datových rychlostí požadovaných pro CAN FD (Obrázek 2). Snížení maximálního zpoždění umožňuje delší připojení a zvyšuje počet uzlů na sběrnici. Konkrétně MCP2561 / 2FD CAN transceiver má maximální zpoždění 120 ns.

Obrázek 2: Transceiver MCP2561 / 2FD CAN má zaručenou symetrii smyčky, která umožňuje delší připojení k síti a více uzlů na sběrnici CAN. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Microchip a další dodavatelé transceiverů implementují částečný síťový mechanismus v souladu s normou ISO 11898-2: 2016. Částečná síť zajišťuje plynulý přechod z klasické CAN na vyšší rychlostní systém CAN FD tím, že mají selektivní funkce probuzení a autonomní řízení sběrnice.

Například vysokorychlostní transceiver TJA1145 od NXP Semiconductors podporuje rychlost přenosu dat až 2 Mbits / s a ​nabízí částečnou síť prostřednictvím funkce selektivního probuzení nazvané FD Passive.

Umožňuje běžným kontrolérům CAN, které nepotřebují posílat zprávy na CAN FD, aby zůstaly v režimu spánku / pohotovostním režimu, zatímco probíhá komunikace na CAN FD. Tím můžeme provozovat standartní CAN a CAN FD na jedné sběrnici. Nakonec budou všechny regulátory CAN muset splňovat standard CAN FD, přičemž všechny uzly sběrnice CAN se přemění na uzly FD Active. Do té doby bude částečná síť překonávat mezeru mezi světy klasické CAN a CAN FD.

NXP také nabízí technologii CAN FD Shield, která dynamicky filtruje zprávy CAN FD pomocí vysoce přesného oscilátoru. FD Shield nabízí výměnu stávajících vysílačů a nevyžadují změnu softwaru. NXP dokončila technologii FD Shield s architekturou Automotive Open Systems Architecture (AUTOSAR) a zpřístupňuje vzorky hlavním výrobcům automobilů a dodavatelům Tier-1.

ESD a EMI na sběrnici CAN FD

Kromě vyšší datové rychlosti lze využít CAN FD pro snížení počtu součástek (BOM) a zmenšení potřebného prostoru na desce. Součástky jsou často blízko sebe, takže je třeba dbát na to, aby nezpůsobovaly rušení nebo aby se nestaly náchylné k rušení. Elektromagnetické rušení (EMI) a odolnost proti rušení jsou důležitými vlastnostmi. Často transceivery používají diskrétní filtry, common-mode tlumivky a součástky pro potlačení přechodového napětí (TVS), které eliminují problémy s ESD a EMI.

Více o důležitém tématu TVS pro sběrnici CAN naleznete na „Design-In TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability “

Stále více se hledají způsoby, jak snížit hmotnost a náklady u vývoje systému na bázi CAN. Například, transceivery TCAN1042 a TCAN1051od společnosti Texas Instruments odstranily tlumivku, aby se snížil počet součástek a zároveň se splnily přísné požadavky na odolnost proti hluku (obrázek 3).

Obrázek 3: CAN vysílač TCAN1042 poskytuje ochranné funkce pro zvýšení robustnosti CAN a používá se v aplikacích, jako jsou automobilové řídicí moduly HVAC a inteligentní dálkové ovládání RF. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Transceivery TCAN1042 a TCAN1051 poskytují ochranu ESD až ± 15 kilovoltů (kV). To potenciálně eliminuje potřebu externích diod TVS. Pro snadné ověření vlastností a seznámení se s těmito transceivery je možné použít vývojovou sadu TCAN1042DEVM, která má integrované ukončení sběrnice, potřebné filtry a celou koncepci ochrany.

Bezpečnost na sběrnici CAN a CAN FD                                                                         

Sběrnice CAN nebo CAN FD jsou ve vozidle propojena s ostatními řídícími systémy (ECU). Toto spojení je relativně jednoduché a snadno použitelné, ale jedná se o potenciální ohrožení. Celý systém vozidla je tak bezpečný jako je bezpečný jeho nejslabší článek. Ochrana komunikace je založena na mechanismu message authentication code (MAC), který využívá kryptografii a komplexní správu klíčů. Šifrování zpráv však zvyšuje zatížení sběrnice, latenci zpráv a spotřebu energie.

Zabezpečené transceivery CAN mohou filtrovat ID zprávy, takže pokud „nabouraný“ řídící systém pošle zprávu s ID, která jí nebyla původně přiřazena, může transceiver odmítnout její vysílání na sběrnici CAN (obr. 4).

Obrázek 4: Aby se snížila latence a požadavky na šířku pásma při zabezpečení sítě CAN, novější transceivery filtrují ID zprávy. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Tyto transceivery zajišťují ochranu před zaplavením infikovaných zpráv, spoofingem a manipulací bez použití kryptografie. Mohou detekovat kybernetický útok. Zabezpečený transceiver pak dočasně odpojí lokálního hostitele od sběrnice CAN. Pokud však není detekována žádná bezpečnostní hrozba transceivery fungují jako standardní vysokorychlostní transceivery CAN FD. Zabezpečené transceivery se lehce implementují, jelikož jsou ve stejném pouzdře jako nezabezpečené verze.

NXP implementuje bezpečnostní funkce výhradně do hardwaru. To umožňuje provádět operace zabezpečení nezávisle na řídicích systémech a zabraňuje změnám softwaru na řídícím systému a riziku narušení provozu. Zabezpečený transceiver navíc uchovává záznam pro hlášení bezpečnostních ataků na sběrnici. Mohou také chránit své vlastní konfigurace a mohou tak fungovat jako systém pro detekci narušení.

Závěr

Sběrnice CAN začala svou cestu již v roce 1983, ale jak ukazuje tento článek, dobře se přizpůsobila komunikačním požadavkům v automobilovém průmyslu. CAN transceivery přechází na vyšší rychlost CAN FD. Zvyšují spolehlivost a zároveň snižují náklady na BOM a plochu na desce. Snižuje počet externích komponent, jako jsou common-mode tlumivky a diody TVS. Důležitou roli hraje implementace bezpečnostních prvků přímo do hardware.

Článek vyšel v originále „Apply the Latest CAN Bus Enhancements for Secure Reliable High-Speed Automotive Communications“ na webu DigiKey.com, autorem je Majeed Ahmad