興修“汽車主干道”

想象一下，如果全國所有的家庭住宅都由各自的專用道路連接起來，我們的道路將變得多么擁擠，堵塞，混亂不堪？

事實(shí)上，直到大約25年前，汽車控制單元、傳感器、電機(jī)和執(zhí)行器的情況就是如此。隨著電氣和電子功能數(shù)量的增加，連接的線束數(shù)量開始失控，這不僅造成了成本的上升，更是嚴(yán)重危及了系統(tǒng)的可靠性。

為了提升效率，在20世紀(jì)80年代初期，博世的工程師們率先評估了當(dāng)時(shí)其他領(lǐng)域的串行總線系統(tǒng)，探討其在汽車中運(yùn)用的可能性，并開始了“汽車主干道“的建設(shè)工程。

一開始，事情并不容易，博世研究人員Siegfried Dais這樣說道："我們根本沒有這方面的專業(yè)知識，例如關(guān)于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶I(yè)知識，所以不得不靠自己研究來解決許多問題。"經(jīng)過幾年的探索，Siegfried Dais和Uwe Kiencke領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了這樣一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，往返于大量汽車電子元件的數(shù)字信號沿著共享的 "主干道 "被傳輸。

在1985年，博世為這個(gè)被稱為 “Automotive Serial Controller Area Network（汽車串行控制器局域網(wǎng)）”的新總線系統(tǒng)申請了專利，CAN 由此誕生了。

CAN的應(yīng)用成功限制了連接線束的數(shù)量，將不同電子控制的功能聯(lián)系起來，這是汽車系統(tǒng)未來發(fā)展至關(guān)重要的一步。事實(shí)上，許多后續(xù)的系統(tǒng)創(chuàng)新，如駕駛輔助系統(tǒng)，都依賴不同的控制單元所發(fā)出的協(xié)調(diào)、同步的指令。如果沒有CAN，博世在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能的期望幾乎是不可能的。如今，CAN成為了全球范圍內(nèi)最重要的總線之一，幾乎是所有新車的標(biāo)準(zhǔn)配置。

“汽車主干道“的“交通規(guī)則”

那么，CAN這個(gè)至關(guān)重要的“汽車主干道“究竟如何運(yùn)行呢？這離不開“交通規(guī)則” -- CAN 協(xié)議的指導(dǎo)。1990年初，Bosch CAN 規(guī)范（CAN 2.0版）被提交給國際標(biāo)準(zhǔn)化組織。在經(jīng)過數(shù)次行政討論之后，1993 年11 月，CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO-11898正式出版。

簡而言之，CAN協(xié)議作為CAN這個(gè)“汽車主干道”運(yùn)行的“交通規(guī)則”，規(guī)定了CAN總線中報(bào)文的基本傳輸準(zhǔn)則，即報(bào)文傳輸復(fù)雜的內(nèi)在邏輯：在總線空閑狀態(tài)下，任意節(jié)點(diǎn)都可以向總線上發(fā)送信息，最先向總線發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送消息時(shí)，所發(fā)送消息的優(yōu)先權(quán)高的那個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。

博世根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求，提供了多種可供選擇的CAN協(xié)議。

為了克服經(jīng)典CAN 1 Mbps的比特率限制，博世在2012年推出CAN FD協(xié)議（具有靈活數(shù)據(jù)速率的CAN），將每個(gè)CAN幀的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)從最多8個(gè)擴(kuò)展到最多64個(gè)，從而縮小經(jīng)典CAN和其他協(xié)議的差距。如果經(jīng)典CAN中報(bào)文是以自行車的速度進(jìn)行傳輸，那CAN FD中的報(bào)文傳輸就達(dá)到了公交車的速度。CAN FD符合ISO11898-1:2015國際標(biāo)準(zhǔn)。CAN FD協(xié)議的控制器也能夠進(jìn)行經(jīng)典的CAN通信。

CAN FD Light 協(xié)議是CAN FD的一個(gè)輕量級版本，適用于具有一個(gè)主控制器和許多從屬控制器的低成本應(yīng)用，典型應(yīng)用是在OLED驅(qū)動(dòng)IC中的動(dòng)態(tài)高分辨率照明。CAN FD Light從機(jī)不需要外部晶振來提供基準(zhǔn)工作頻率，從而降低了成本。CAN FD Light 目前打算用于1 Mbps，CAN FD Light 的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)相較CAN更多，可以穩(wěn)定地完成更復(fù)雜的指令。CAN FD Light目前正在由CiA（CAN in Automation）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

CAN XL 協(xié)議（具有擴(kuò)展長度的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）保持CAN協(xié)議的優(yōu)勢，將每個(gè)CAN幀的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)擴(kuò)展到2048個(gè)，為至少10Mbit/s的數(shù)據(jù)速率提供了一個(gè)卓越的解決方案，堪稱CAN協(xié)議報(bào)文傳輸?shù)母哞F速度。CAN XL以10Mbit/s以上的比特率填補(bǔ)了CAN FD和100BASE-T1（以太網(wǎng)）之間的空白。CAN XL協(xié)議控制器也能夠進(jìn)行經(jīng)典的CAN和CAN FD通信。CAN XL正在由CiA 610-1規(guī)范（CAN in Automation）起草，并將作為ISO11898的一部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

遵循“交通規(guī)則”的“交警”

在CAN總線通信中，只有“交通規(guī)則”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，每個(gè)參與通信的電子控制單元（ECU）都還需要一個(gè)CAN接口，包括一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器。CAN控制器就好比是指揮CAN通信的“交警”，履行CAN協(xié)議所規(guī)定的通信功能，根據(jù)CAN總線協(xié)議控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，從而大大減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)。

CAN控制器由接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、CAN核心模塊、驗(yàn)收濾波器和接收FIFO組成。

接口管理邏輯用于連接外部主控制器或ECU，解釋來自他們的命令。隨后報(bào)文被存儲(chǔ)在發(fā)送緩沖器中，CAN核心模塊從發(fā)送緩沖器讀取CAN報(bào)文并通過收發(fā)器傳輸?shù)娇偩€上。收到總線上的報(bào)文時(shí)，CAN核心模塊根據(jù)CAN規(guī)范將串行位流轉(zhuǎn)換成用于接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)過驗(yàn)收濾波器過濾掉無須接收的報(bào)文并存儲(chǔ)在接收FIFO中，最后報(bào)文經(jīng)過接口管理邏輯提供給主控制器或ECU。

目前，博世推出了兩款CAN協(xié)議控制器IP模塊，即M_CAN和X_CAN。

M_CAN可以作為獨(dú)立的設(shè)備，作為ASIC的一部分，或在FPGA (現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)上實(shí)現(xiàn)。它支持經(jīng)典CAN和CAN FD（具有靈活數(shù)據(jù)速率的CAN）通信。M_CAN已被開發(fā)為符合ISO 26262-11:2018第4條的獨(dú)立安全單元（SEooC）。

X_CAN可以在SoC（片上系統(tǒng)）中實(shí)現(xiàn)。它支持經(jīng)典CAN、CAN FD（具有靈活數(shù)據(jù)速率的CAN）和CAN XL（具有擴(kuò)展長度的CAN）通信。根據(jù)ISO 26262-11:2018第4條，X_CAN正被開發(fā)為獨(dú)立安全單元（SEooC）。

博世知識產(chǎn)權(quán)（IP）模塊

博世作為CAN總線這條“汽車主干道”的創(chuàng)始人，對“交通規(guī)則”CAN FD，CAN XL協(xié)議和“交警”M_CAN, X_CAN協(xié)議控制器模塊有著獨(dú)家知識產(chǎn)權(quán)。

CAN協(xié)議和CAN協(xié)議控制器IP模塊也是博世半導(dǎo)體業(yè)務(wù)中知產(chǎn)產(chǎn)權(quán)（IP）模塊的重點(diǎn)產(chǎn)品。

自1970年2月，博世開始了半導(dǎo)體的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。如今，博世半導(dǎo)體產(chǎn)品及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)不僅提供給內(nèi)部使用，還提供給外部的半導(dǎo)體、消費(fèi)電子及汽車行業(yè)客戶。知識產(chǎn)權(quán)模塊，簡稱IP模塊，代表了在硬件中相對獨(dú)立的具備完整功能的模塊配置方案。

博世是汽車 IP 業(yè)務(wù)的先驅(qū)之一，IP 模塊使芯片制造商能夠在微控制器、FPGA 和汽車 ASSP 等標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中快速采用完整的功能模塊，從而顯著縮減開發(fā)時(shí)間和成本。許多供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商都很欣賞博世在系統(tǒng)領(lǐng)域的專業(yè)知識，其電子控制單元的性能也高度依賴博世內(nèi)置 IP 模塊。

隨著中國汽車市場的蓬勃發(fā)展以及對半導(dǎo)體的需求不斷增強(qiáng)，博世持續(xù)加速IP模塊業(yè)務(wù)在中國的發(fā)展。博世不斷開發(fā) IP 模塊并將功能更新轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)，致力于為客戶提供優(yōu)質(zhì)的，創(chuàng)新的，系統(tǒng)性的產(chǎn)品和服務(wù)。

原文標(biāo)題：半導(dǎo)體 | 造福整個(gè)汽車行業(yè)，只因博世修了這條路！

文章出處：【微信公眾號：博世汽車電子事業(yè)部】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
審核編輯:湯梓紅