CAN串行总线系统在汽车中究竟如何运行

兴修“汽车主干道”

想象一下，如果全国所有的家庭住宅都由各自的专用道路连接起来，我们的道路将变得多么拥挤，堵塞，混乱不堪？

事实上，直到大约25年前，汽车控制单元、传感器、电机和执行器的情况就是如此。随着电气和电子功能数量的增加，连接的线束数量开始失控，这不仅造成了成本的上升，更是严重危及了系统的可靠性。

为了提升效率，在20世纪80年代初期，博世的工程师们率先评估了当时其他领域的串行总线系统，探讨其在汽车中运用的可能性，并开始了“汽车主干道“的建设工程。

一开始，事情并不容易，博世研究人员Siegfried Dais这样说道："我们根本没有这方面的专业知识，例如关于串行数据传输的专业知识，所以不得不靠自己研究来解决许多问题。"经过几年的探索，Siegfried Dais和Uwe Kiencke领导的团队创建了这样一个数据传输系统，在这个系统中，往返于大量汽车电子元件的数字信号沿着共享的 "主干道 "被传输。

在1985年，博世为这个被称为 “Automotive Serial Controller Area Network（汽车串行控制器局域网）”的新总线系统申请了专利，CAN 由此诞生了。

CAN的应用成功限制了连接线束的数量，将不同电子控制的功能联系起来，这是汽车系统未来发展至关重要的一步。事实上，许多后续的系统创新，如驾驶辅助系统，都依赖不同的控制单元所发出的协调、同步的指令。如果没有CAN，博世在未来几年内实现自动驾驶功能的期望几乎是不可能的。如今，CAN成为了全球范围内最重要的总线之一，几乎是所有新车的标准配置。

“汽车主干道“的“交通规则”

那么，CAN这个至关重要的“汽车主干道“究竟如何运行呢？这离不开“交通规则” -- CAN 协议的指导。1990年初，Bosch CAN 规范（CAN 2.0版）被提交给国际标准化组织。在经过数次行政讨论之后，1993 年11 月，CAN的国际标准ISO-11898正式出版。

简而言之，CAN协议作为CAN这个“汽车主干道”运行的“交通规则”，规定了CAN总线中报文的基本传输准则，即报文传输复杂的内在逻辑：在总线空闲状态下，任意节点都可以向总线上发送信息，最先向总线发送信息的节点获得总线的发送权。当多个节点同时向总线发送消息时，所发送消息的优先权高的那个节点获得总线的发送权。

博世根据不同的应用场景和需求，提供了多种可供选择的CAN协议。

为了克服经典CAN 1 Mbps的比特率限制，博世在2012年推出CAN FD协议（具有灵活数据速率的CAN），将每个CAN帧的数据字节数从最多8个扩展到最多64个，从而缩小经典CAN和其他协议的差距。如果经典CAN中报文是以自行车的速度进行传输，那CAN FD中的报文传输就达到了公交车的速度。CAN FD符合ISO11898-1:2015国际标准。CAN FD协议的控制器也能够进行经典的CAN通信。

CAN FD Light 协议是CAN FD的一个轻量级版本，适用于具有一个主控制器和许多从属控制器的低成本应用，典型应用是在OLED驱动IC中的动态高分辨率照明。CAN FD Light从机不需要外部晶振来提供基准工作频率，从而降低了成本。CAN FD Light 目前打算用于1 Mbps，CAN FD Light 的数据字节数相较CAN更多，可以稳定地完成更复杂的指令。CAN FD Light目前正在由CiA（CAN in Automation）进行标准化。

CAN XL 协议（具有扩展长度的控制器区域网络）保持CAN协议的优势，将每个CAN帧的数据字节数扩展到2048个，为至少10Mbit/s的数据速率提供了一个卓越的解决方案，堪称CAN协议报文传输的高铁速度。CAN XL以10Mbit/s以上的比特率填补了CAN FD和100BASE-T1（以太网）之间的空白。CAN XL协议控制器也能够进行经典的CAN和CAN FD通信。CAN XL正在由CiA 610-1规范（CAN in Automation）起草，并将作为ISO11898的一部分进行标准化。

遵循“交通规则”的“交警”

在CAN总线通信中，只有“交通规则”还远远不够，每个参与通信的电子控制单元（ECU）都还需要一个CAN接口，包括一个CAN控制器和一个CAN收发器。CAN控制器就好比是指挥CAN通信的“交警”，履行CAN协议所规定的通信功能，根据CAN总线协议控制数据帧的发送和接收，从而大大减轻主机的负担。

CAN控制器由接口管理逻辑、发送缓冲器、CAN核心模块、验收滤波器和接收FIFO组成。

接口管理逻辑用于连接外部主控制器或ECU，解释来自他们的命令。随后报文被存储在发送缓冲器中，CAN核心模块从发送缓冲器读取CAN报文并通过收发器传输到总线上。收到总线上的报文时，CAN核心模块根据CAN规范将串行位流转换成用于接收的数据，经过验收滤波器过滤掉无须接收的报文并存储在接收FIFO中，最后报文经过接口管理逻辑提供给主控制器或ECU。

目前，博世推出了两款CAN协议控制器IP模块，即M_CAN和X_CAN。

M_CAN可以作为独立的设备，作为ASIC的一部分，或在FPGA (现场可编程逻辑门阵列)上实现。它支持经典CAN和CAN FD（具有灵活数据速率的CAN）通信。M_CAN已被开发为符合ISO 26262-11:2018第4条的独立安全单元（SEooC）。

X_CAN可以在SoC（片上系统）中实现。它支持经典CAN、CAN FD（具有灵活数据速率的CAN）和CAN XL（具有扩展长度的CAN）通信。根据ISO 26262-11:2018第4条，X_CAN正被开发为独立安全单元（SEooC）。

博世知识产权（IP）模块

博世作为CAN总线这条“汽车主干道”的创始人，对“交通规则”CAN FD，CAN XL协议和“交警”M_CAN, X_CAN协议控制器模块有着独家知识产权。

CAN协议和CAN协议控制器IP模块也是博世半导体业务中知产产权（IP）模块的重点产品。

自1970年2月，博世开始了半导体的研发、生产和销售。如今，博世半导体产品及相关知识产权不仅提供给内部使用，还提供给外部的半导体、消费电子及汽车行业客户。知识产权模块，简称IP模块，代表了在硬件中相对独立的具备完整功能的模块配置方案。

博世是汽车 IP 业务的先驱之一，IP 模块使芯片制造商能够在微控制器、FPGA 和汽车 ASSP 等标准产品中快速采用完整的功能模块，从而显著缩减开发时间和成本。许多供应商和原始设备制造商都很欣赏博世在系统领域的专业知识，其电子控制单元的性能也高度依赖博世内置 IP 模块。

随着中国汽车市场的蓬勃发展以及对半导体的需求不断增强，博世持续加速IP模块业务在中国的发展。博世不断开发 IP 模块并将功能更新转化为标准，致力于为客户提供优质的，创新的，系统性的产品和服务。

原文标题：半导体 | 造福整个汽车行业，只因博世修了这条路！

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审核编辑:汤梓红