Haga uso de las últimas mejoras en el bus CAN para comunicaciones automotrices de alta velocidad seguras y confiables

Los diseñadores han confiado durante muchos años en las redes de área de controlador (CAN) para comunicaciones fiables entre los diversos subsistemas del automóvil y las unidades de control electrónico (ECU). Sin embargo, a medida que aumenta el número de nodos de red a bordo, también aumenta la tasa de producción de datos requerida y la demanda de una latencia más baja y una seguridad más avanzada, todo dentro de restricciones de tamaño, peso y costo. Sin embargo, muchos diseñadores preferirían no cambiar las topologías de red y, gracias a las mejoras constantes de la especificación CAN y las soluciones de CI relacionadas, no tienen que hacerlo.

Cambiarse a otra topología de red es difícil debido a la pérdida de inversiones anteriores y al potencial de retrasos en el diseño a medida que los diseñadores ascienden en la curva de aprendizaje. Pero eso se puede evitar al observar de nuevo las mejoras en la especificación CAN, como CAN Flexible Data-Rate (FD) para obtener una mayor tasa de producción, el uso de técnicas como la red parcial para manejar las fugas y la interferencia, el uso de márgenes de tiempo más ajustados para garantizar comunicaciones fiables a velocidades de datos más altas, y seguridad mejorada.

Además, los proveedores de transceptores CAN también han respondido a los requisitos de diseño con soluciones más integradas que incorporan las mejoras de CAN para atender mejor a las aplicaciones emergentes como los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), trenes de potencia, y entretenimiento informativo.

Este artículo trata brevemente sobre CAN y sus mejoras, incluida la forma en que los diseñadores pueden gestionar la transición a iteraciones más avanzadas, como CAN FD. En el camino, presentará soluciones CAN adecuadas y cómo utilizarlas para obtener velocidades de datos más rápidas, mayor fiabilidad y mayor seguridad.

CAN Flexible Data-Rate

Ahora que los vehículos tienen más dispositivos electrónicos a bordo, los diseñadores requieren un mayor rendimiento, pero en lugar de cambiarse a una red completamente diferente, pueden aprovechar las mejoras de CAN, comenzando con CAN FD. Esto proporciona velocidades de hasta 5 Mbit/s, en comparación con 1 Mbit/s (máximo) para la especificación CAN original, definida en la norma ISO 11898. Esa limitación de la velocidad de datos obligó a los diseñadores automotrices a agregar más dispositivos y conexiones de red CAN dentro del vehículo, lo que inevitablemente lleva a más cableado, pérdidas de energía, y peso.

La norma CAN FD resuelve el dilema del ancho de banda mientras que lleva las velocidades de datos a 2 Mbit/s en condiciones nominales y 5 Mbit/s en el modo de programación. Esta importante mejora de CAN viene con una tasa de cuadros modificada que aumenta el campo de datos de 8 bytes a 64 bytes para un soporte más efectivo de las aplicaciones de uso intensivo de datos (Figura 1).

Figura 1: La norma CAN FD, actualizada en 2012, extiende el número máximo de bytes de datos en la carga útil de 8 a 64 bytes. (Fuente de la imagen: Microchip Technology).

Transición de CAN clásico a CAN FD

La cantidad de datos transportados a través de las redes del vehículo aumenta constantemente en medio de la adición de cámaras y sensores, incluidos los de los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS). Si bien las redes CAN FD de mayor velocidad pueden ayudar, requieren una mayor precisión durante el desarrollo. Por ejemplo, a velocidades de datos más altas, el margen disponible para estabilizar el valor del bit se reduce rápidamente, lo que aumenta el potencial de errores y socava la fiabilidad inherente de CAN.

También hay problemas como la corriente de fuga de interferencia que pueden generarse a partir del transporte de datos de mayor velocidad dentro de la red CAN. Además, la implementación de un sistema CAN FD junto con el CAN clásico plantea un desafío importante en términos de garantizar que no se introduzcan errores debido a una disposición de red híbrida.

Para ayudar a resolver algunos de estos problemas, Microchip Technology presentó el transceptor CAN de alta velocidad MCP2561/2FD. Este dispositivo tiene las mismas características básicas que su predecesor, el MCP2561/2, pero agrega una simetría de retardo de bucle garantizada para admitir las velocidades de datos más altas requeridas por CAN FD (Figura 2). Eso, a su vez, reduce el retraso de propagación máximo para admitir conexiones de red más largas y más nodos en el bus CAN. Específicamente, el transceptor CAN MCP2561/2FD tiene un retardo de propagación máximo de 120 nanosegundos (ns).

Figura 2: El transceptor CAN MCP2561/2FD tiene una simetría de bucle garantizada que permite conexiones de red más largas y más nodos en el bus CAN. (Fuente de la imagen: Microchip Technology).

Microchip y otros proveedores de transceptores CAN también están implementando el mecanismo de red parcial que cumple con la norma ISO 11898-2:2016. La red parcial garantiza una transición sin problemas de los sistemas CAN clásicos a los sistemas CAN FD de mayor velocidad al admitir la funcionalidad de activación selectiva y la polarización de bus autónoma.

Por ejemplo, un transceptor CAN de alta velocidad de NXP Semiconductors, el TJA1145, admite velocidades de datos de hasta 2 Mbit/s e incorpora redes parciales a través de una función de activación selectiva llamada FD Passive. Permite que los controladores CAN regulares que no necesitan comunicar mensajes CAN FD permanezcan en modo de espera/inactivo durante la comunicación CAN FD, sin generar errores de bus.

Tarde o temprano, todos los controladores CAN deberán cumplir con el estándar de bus CAN de alta velocidad, convirtiendo todos los nodos de bus CAN en nodos activos FD. Pero, hasta entonces, las redes parciales cerrarán la brecha entre los mundos de CAN clásico y CAN FD.

NXP también ofrece la tecnología CAN FD Shield que filtra de manera dinámica los mensajes CAN FD utilizando un oscilador de alta precisión. Al igual que con la red parcial, los transceptores CAN que emplean la funcionalidad FD Shield ofrecen un reemplazo directo para los transceptores existentes y, por lo tanto, no requieren cambios de software. NXP ha completado la evaluación de su tecnología FD Shield con Automotive Open Systems Architecture (AUTOSAR) y pone a disposición las muestras para los principales fabricantes de automóviles y los proveedores de nivel 1.

Protección de bus con transceptores CAN más pequeños

Junto con velocidades de datos más rápidas, los diseñadores pueden aprovechar las soluciones CAN altamente integradas que reducen el costo de la lista de materiales (BOM) y el espacio de la placa. Sin embargo, los dispositivos a menudo están cerca entre sí, al igual que otros dispositivos electrónicos sensibles, por lo que se debe tener cuidado de no causar interferencias o ser susceptibles a ellas, por lo que la interferencia electromagnética (EMI) y la inmunidad al ruido son características importantes. A menudo, los transceptores CAN usan filtros discretos, choques de modo común y dispositivos de supresión de voltaje transitorio (TVS) para contrarrestar los problemas centrados en la descarga electrostática (ESD) y EMI.

Para obtener más información sobre el importante tema de TVS para el bus CAN, consulte "Diseño de la protección de diodo de TVS para mejorar la fiabilidad del bus CAN".

Sin embargo, los diseñadores automotrices buscan cada vez más formas de reducir el peso y el costo en los diseños basados en CAN. Por ejemplo, los transceptores TCAN1042 y TCAN1051 de Texas Instruments han eliminado el choque para reducir el conteo de componentes mientras cumplen con los estrictos requisitos de inmunidad al ruido (Figura 3).

Figura 3: El transceptor CAN TCAN1042 proporciona características de protección para mejorar la resistencia de CAN y se utiliza en aplicaciones tales como módulos de control de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para automóviles y controles remotos inteligentes de radiofrecuencia (RF). (Fuente de la imagen: Texas Instruments).

La protección contra fallas de bus altas y ESD es crucial en los sistemas CAN que ahora satisfacen los requisitos de baterías de 12 voltios, 24 voltios y 48 voltios en los vehículos, así como fuentes de alimentación industriales de 24 voltios. Protege los pines del bus CAN contra voltajes cortos a CC con una mejor correspondencia de las señales de salida.

Los transceptores TCAN1042 y TCAN1051 ofrecen protección contra ESD de hasta ±15 kilovoltios (kV), lo que elimina potencialmente la necesidad de diodos TVS externos. Además, los diseñadores pueden evaluar rápida y fácilmente el rendimiento de estos transceptores CAN con un módulo de evaluación, el TCAN1042DEVM, que también proporciona información sobre la terminación del bus CAN, el filtrado del bus CAN y los conceptos de protección.

La siguiente frontera de CAN: la seguridad

Las redes en el vehículo basadas en CAN para vincular las ECU son relativamente simples y fáciles de usar. Sin embargo, una sola ECU con seguridad comprometida puede dejar todo el vehículo vulnerable a los ataques. Una opción ampliamente conocida para proteger las comunicaciones CAN se basa en el mecanismo del código de autenticación de mensajes (MAC) que emplea la criptografía y la administración de claves complejas. Sin embargo, el cifrado de los mensajes CAN aumenta la carga del bus CAN, la latencia de los mensajes y el consumo de energía. También existe la dificultad de actualizar las redes en el vehículo para comunicaciones CAN seguras debido a la falta de potencia de procesamiento en los controladores CAN instalados en la actualidad.

Los transceptores CAN más recientes vienen con mecanismos más simples que evitan la sobrecarga de ancho de banda, los retrasos y la carga de procesamiento. Estos transceptores CAN seguros pueden filtrar las ID de los mensajes, por lo que si una ECU comprometida intenta enviar un mensaje con una ID que originalmente no le está asignada, el transceptor puede negarse a transmitirlo al bus CAN (Figura 4). Junto con la prevención de intentos de suplantación de identidad, un transceptor CAN puede evitar los ataques de manipulación e inundación al invalidar el mensaje de la ECU comprometida.

Figura 4: Para reducir los requisitos de latencia y ancho de banda mientras se protege la red CAN, los transceptores más recientes filtran las ID de los mensajes. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors).

Estos transceptores CAN proporcionan seguridad contra inundaciones, suplantaciones y manipulaciones sin utilizar criptografía. Pueden detectar un incidente cibernético si el mensaje se invalida en el bus con un indicador de error activo. A continuación, el transceptor CAN seguro desconecta temporalmente el host local del bus CAN.

Sin embargo, si no se detecta una amenaza a la seguridad, los transceptores CAN actúan como un transceptor CAN de alta velocidad estándar. En otras palabras, estos transceptores CAN seguros pueden ser un reemplazo directo para los transceptores CAN estándar en un paquete similar.

Lo que los proveedores como NXP hacen aquí es implementar la funcionalidad de seguridad completamente en el hardware, lo que permite que las operaciones de seguridad del transceptor CAN se realicen independientemente de los controladores CAN. Eso, a su vez, evita la necesidad de cambios de software en la ECU y el riesgo asociado de interrupción de la operación de la ECU.

Además, el transceptor CAN seguro mantiene un registro para informar los incidentes de seguridad en el bus. Estos transceptores CAN también pueden proteger sus propias actualizaciones de configuración y, por lo tanto, pueden actuar como un sistema de detección de intrusos.

Conclusión

El bus CAN comenzó su viaje en 1983 pero, como se ha mostrado en este artículo, se ha adaptado bien a los requisitos de comunicaciones de los diseñadores de electrónica automotriz. En primer lugar, los transceptores CAN están pasando por un cambio de imagen con la transición hacia las redes CAN FD de mayor velocidad. En segundo lugar, los transceptores CAN están mejorando la fiabilidad, mientras que reducen el costo de la BOM y el espacio de diseño al eliminar componentes externos como el choque de modo común y los diodos TVS. Finalmente, los transceptores CAN están desempeñando su papel en la protección del bus CAN al integrar la funcionalidad de seguridad en el hardware del transceptor. Este último no solo protege el bus CAN, sino también el futuro del automóvil conectado.