【ATU 隨筆記】整車網路系統架構之探討 ( 一 )

關鍵字 :恩智浦CANCANFDCANSICCANXL車用

一、前言

在現今的車輛設計中，通訊架構扮演著至關重要的角色，以確保車內各個電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）能夠快速且可靠地交換資訊。車用通訊協議的選擇多樣且具備不同的應用特性，其中包括 CAN（Controller Area Network）、LIN（Local Interconnect Network）、Ethernet 和 FlexRay 等。每一種通訊協議皆有其特定的應用範疇與優勢，如 CAN 以其可靠性和低成本在車輛動力系統與車身控制中廣泛應用，LIN 則適合在低速且簡單的設備之間傳輸訊號，而 Ethernet 和 FlexRay 則以其高傳輸速率，支援車輛先進的自動駕駛與多媒體應用。

CAN 是 Bosch 公司於 1983 年代為了解決車內控制系統之間的通訊需求而開發的，並在 1986 年正式發表。隨著 CAN 協議的推出，汽車內部的電子設備得以使用單一雙絞線網路進行多主控制器之間的通訊，有效減少了傳統線束的數量並提高了系統的可靠性。CAN 的低延遲和高抗干擾能力，使其迅速成為車輛控制系統的標準通訊協議。

在這一系列文章中，我們將逐步探討各種車用通訊協議的需求差異與重要性，並首先聚焦於 CAN。在這篇文章中，我們將一起探討 CAN 的技術基礎，及其在車輛內部不同應用場景中的實際應用，並分析它在整車網路中的優勢和面臨的挑戰。

二、CAN 的發展歷程

CAN （Controller Area Network）旨在解決汽車內部電子控制單元（ECU）之間日益增長的通訊需求。隨著車輛電子化程度提高，車內系統的資料傳遞愈加複雜，傳統點對點的連接方式無法有效支持這些系統的互通。因此，Bosch 公司開始開發一種多主總線系統，並在 1986 年正式發佈 CAN 1.0 協議。

CAN 1.0（1986）及 ISO 11898 標準（1993）

CAN 1.0 是最早期的版本，提供了一個高效且可靠的通訊方式，其架構允許多個節點共用同一條雙絞線總線進行通訊。CAN 1.0 的最大速率為 1 Mbps，適合車輛內部如引擎控制、變速箱控制和車身電子控制等需要穩定和即時資料交換的場景。

為了確立 CAN 的全球通用標準並提高其應用一致性，國際標準化組織（ISO）於 1993 年推出了 ISO 11898 標準。ISO 11898 規範了 CAN 網路的物理層和資料鏈路層的設計與實作，涵蓋了總線拓撲、訊號傳輸方式、錯誤處理和抗干擾機制等關鍵細節。此標準的制定使 CAN 成為全球汽車製造商的通用協議，並推動了其在工業自動化和其他領域的廣泛應用。

CAN FD（Flexible Data-rate）（2012）

隨著車輛技術的進步，標準 CAN 1.0 的傳輸速率和資料容量逐漸無法滿足自動駕駛和車輛安全系統等應用的需求。因此，Bosch 在 2012 年推出了 CAN FD （Flexible Data-rate），這是 CAN 的改進版本。CAN FD 保留了 CAN 1.0 的基本架構，但在以下幾個方面進行了升級：

提升資料速率：CAN FD 可以在傳輸資料時段提升至 8 Mbps，大幅提高了資料傳輸效率。

擴展訊框大小：CAN FD 支援更大的資料欄位（最多 64 bytes，相較於 CAN 1.0 的 8 bytes），使其能夠一次傳輸更多資料。

保持向下相容性：CAN FD 保留了與傳統 CAN 網路的相容性，這使得車輛製造商可以逐步升級至 CAN FD，而不必全面更換網路系統。

ISO 11898-1（2015）標準更新：為了支援 CAN FD 的新特性，ISO 在 2015 年更新了 ISO 11898-1 標準，加入了 CAN FD 的規範，這使其具備更高的彈性和兼容性。

CAN SIC（Signal Improvement Capability CAN）

CAN SIC 是在 CAN FD 基礎上進行優化的版本，專門為了應對現代車輛中常見的信號完整性問題而設計。隨著車輛電子系統的複雜性和傳輸速率的增加，CAN SIC 的設計旨在增強訊號的穩定性和抗干擾能力，使其在高負載和高干擾環境下仍能維持穩定的傳輸效果。以下是 CAN SIC 的幾個主要特點：

改進信號波形：CAN SIC 透過改進信號的上升和下降時間，減少了反射波（reflection）的產生，從而降低了訊號傳輸過程中的過度振鈴（ringing）現象。這種改進讓 CAN 網路在長距離傳輸或網路拓撲較為複雜的情況下，依然保持穩定的訊號品質。

增強抗干擾能力：CAN SIC 增強了對外部電磁干擾（EMI）的抵抗力，使其在高干擾環境下依然能保持高可靠性的資料傳輸。

支援更複雜的網路拓撲：與傳統的 CAN FD 相比，CAN SIC 能夠更好地支援星形拓撲（star topology）和長距離分支（long stubs），這些拓撲在 CAN FD 系統中可能導致訊號反射問題。CAN SIC 的信號改進技術可以減少這些拓撲中的反射現象，確保通訊的穩定性。

提升長距離通訊的穩定性：CAN SIC 通過在訊號傳輸中引入增強的阻抗匹配技術，使其在長距離傳輸中減少訊號衰減（attenuation）和失真。

相容性與 ISO 11898 標準支持：CAN SIC 在保持與現有 CAN FD 相容性的同時，通過改進訊號處理技術提升了網路性能。ISO 11898 標準中也對 CAN SIC 進行了技術規範，確保其可以整合於現有的 CAN 網路框架中，無需大幅改變現有硬體。

CAN XL（Extra Long CAN）（2020）

隨著車內通訊對於高帶寬和靈活性的需求不斷增加，CAN XL 於 2020 年被引入。CAN XL 是 CAN 家族的最新版本，設計用於應對車輛內部大量數據交換和自動駕駛系統的需求。CAN XL 在多個方面進行了重大升級：

更高的速率：CAN XL 支援高達 10 Mbps 的傳輸速率，滿足更高帶寬的需求。

擴展訊框大小：CAN XL 擴展了訊框的資料長度，允許更大容量的數據傳輸，使其在車輛多媒體系統和高精度感測器數據傳輸中尤為有用。

新的資料鏈路層特性：CAN XL 結合了現代網路技術的特性，如分段式數據傳輸和更靈活的資料傳送協議，以增強其靈活性和適應性。

CAN XL 仍然符合 ISO 11898 標準架構中的基本規範，確保其在新特性上的擴展依然符合 CAN 網路的整體框架。

三、CAN 的特點與應用場景

CAN 的特點與應用場景

如上表可以看到，CAN 1.0 主要是對應基本的車輛控制器系統，對於傳輸速率的要求不高，但要求通訊穩定且可靠；CAN FD 則適合用於車輛安全系統，如安全氣囊、ADAS ( Advanced Driver Assistance Systems，先進駕駛輔助系統 )…等，藉由 CAN FD 高速傳輸速率及更大的訊框大小來處理大量的感測器數據及內部的實時通訊；CAN SIC 則專為解決高干擾和複雜拓撲結構下的應用而設計，特別是在電動車和大型車輛（如卡車、公共汽車）中，這些車輛的網路系統往往涉及更長的傳輸距離和更複雜的拓撲結構（如星形和環形）；而CAN XL 則是目前最新的 CAN 通訊技術，旨在滿足新型汽車（尤其是電動車和高度自動化車輛）對於高速和大數據量傳輸的需求。

這些不同等級的 CAN 協議反映了 CAN 技術在應對現代汽車電子系統需求時的演進過程，每一個版本的升級都旨在提高通訊速率、擴展數據容量、增強抗干擾能力以及提升靈活性。

四、恩智浦提供的解決方案

圖片來源：恩智浦官方網站

恩智浦（NXP）作為全球領先的汽車電子供應商，提供了各式成熟且多樣化的 CAN 解決方案，涵蓋了 CAN FD 和 CAN SIC 技術，以滿足不同車輛應用的需求。從基本模式到待機模式、雙通道待機模式、休眠模式及部分網路模式，恩智浦的解決方案具備了高度的靈活性和可靠性，適用於 12V 和 24V 系統。

對此，小編認為隨著自動駕駛技術和電動車市場的快速發展，車輛對於通訊系統的需求愈發複雜和多樣化。恩智浦未來可能進一步推進 CAN SIC 和 CAN XL 技術的應用，支持更高速、更大容量的數據傳輸，並強化車輛網路的安全性和穩定性。

五、參考資料

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