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汽車架構變化推動CAN總線需求增長
車載網絡正開始從域架構向區(qū)域架構遷移，這種方法將使用更少的協(xié)議、更少的布線，從而簡化和加速車輛中的通信，并最終降低成本。隨著自動駕駛技術的發(fā)展，預計到2030年，自動駕駛汽車中的ECU單元將增加到120個，傳感器數(shù)量達到100個，激勵器數(shù)量增至200個。這一趨勢強調了高效、可靠通信網絡在汽車設計中的重要性。
不同車載總線的比較，來源：Analog Devices
車載總線作為汽車領域的通信總線，是指用于車載網絡中底層的車用設備或車用儀表互聯(lián)的通信網絡。其實現(xiàn)了車輛內部各個系統(tǒng)的集成和協(xié)調工作。傳統(tǒng)車載總線技術種類繁多，目前主要的車載總線類型包括 CAN、LIN、MOST、FlexRay、LVDS、A2B 等，分別在汽車上不同的電子系統(tǒng)進行應用。
傳統(tǒng)汽車線束長達1610米，有近300個連接點，總質量約為35公斤，成本超過1000美元，其復雜的布線占用了大量車內空間，限制了汽車向電子化、智能化方向的發(fā)展。改用CAN總線后，線束長度可縮短至200-1000米，質量減輕9-17公斤，大幅簡化了布線，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。目前市場上80%以上的CAN控制器被用于構建車內網絡系統(tǒng)，顯示了CAN技術在汽車行業(yè)中的廣泛應用和重要性。
CAN（Controller Area Network）是一種博世公司和英特爾公司共同開發(fā)的汽車內數(shù)據交換的世界標準串行通信協(xié)議。它通過雙絞線連接多個節(jié)點，形成一個總線型、串行、廣播式的網絡，能夠簡化電子控制單元（ECU）的設計和安裝，減輕布線重量，降低空間要求。CAN控制器接收并處理數(shù)據，傳遞給CAN收發(fā)器，后者負責數(shù)據的電信號轉換和傳輸。
CAN支持不同速度的網絡協(xié)議：低速CAN最高125 Kbps，高速CAN最高1 Mbps，以及CAN FD最高15 Mbps。高速CAN主要用于發(fā)動機控制、驅動系統(tǒng)、ABS、ESP、儀表和傳感器，要求快速穩(wěn)定的信號傳輸；低速CAN應用于車內舒適系統(tǒng)如空調、座椅調節(jié)等，對實時性要求較低。CAN FD，作為CAN的升級版，提高了傳輸速率至8Mbps。
CAN總線技術發(fā)展歷程，來源：與非研究院整理
CAN總線技術自80年代起便因其高性能、易用性和高可靠性在汽車和工業(yè)控制領域得到廣泛應用。隨著技術進步和應用需求的增長，CAN總線面臨著數(shù)據量和設備數(shù)量激增的挑戰(zhàn)，特別是在汽車電氣化和工業(yè)自動化領域。這促使了CAN FD技術的發(fā)展，該技術繼承了CAN的核心特性，如物理層和仲裁機制，同時引入了可變通訊速率和更長的數(shù)據長度，顯著提高了網絡的數(shù)據傳輸能力和效率。
隨著CAN FD標準的推出和國際標準化組織的正式認可，CAN技術的發(fā)展進入了一個新的階段。這一階段不僅見證了技術的進步，也反映了行業(yè)對高效率、高可靠性通訊協(xié)議的不斷追求。CAN總線和CAN FD技術的成功實施，極大地推動了汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展，提高了車輛的性能和安全性，同時也為工業(yè)控制系統(tǒng)提供了一個高效、可靠的通訊解決方案。
車載CAN IC主要應用及特點
車載CAN&LIN收發(fā)器的主要應用場景，來源：芯力特
在現(xiàn)代汽車應用中，隨著電氣化和智能化的發(fā)展，車內電控單元（ECU）數(shù)量可能達到70個以上，涵蓋引擎控制、傳動系統(tǒng)、安全氣囊、ABS、巡航控制、電動助力轉向（EPS）、音響系統(tǒng)、門窗控制以及電池管理等。這些ECU之間的互連對于實現(xiàn)汽車的安全、經濟和便利性至關重要。CAN總線技術，作為實現(xiàn)這些ECU數(shù)據傳輸?shù)闹饕绞?，極大地簡化了車內電子系統(tǒng)的布線復雜度和成本，促進了點對點連接向總線式連接的轉變。
CAN總線不僅在汽車控制系統(tǒng)中廣泛應用，還在汽車診斷領域發(fā)揮著重要作用，使得ECU能夠快速獲取診斷信息。其多主控（Multi-Master）線性拓撲結構、通過消息標識符實現(xiàn)的尋址機制以及基于消息優(yōu)先級的沖突檢測和仲裁機制（CSMA/CD+AMP），共同確保了CAN總線的高效和可靠性。CAN總線的這些特點，如廣播式消息傳輸、事件驅動通信、以及消息標識符尋址等，使得在總線上添加節(jié)點變得更加靈活。
車載CAN IC主要應用及特點，來源：與非研究院整理
CAN總線在汽車電子領域內的多樣化應用，涉及從基礎的車身控制到高級的駕駛輔助系統(tǒng)等多個方面。CAN總線因其高可靠性、低成本和靈活性，在汽車電子領域得到了廣泛的應用。隨著汽車向電動化、智能化發(fā)展，對于CAN總線的依賴預計將繼續(xù)增長。
在全球范圍內，CAN技術由于其標準化和開放性，已成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網的重要標準。隨著技術的不斷發(fā)展和應用的不斷擴展，CAN總線和CAN FD技術將繼續(xù)在智能交通系統(tǒng)、智能制造等領域發(fā)揮其關鍵作用，推動相關行業(yè)的技術進步和產業(yè)升級。
國產車載CAN IC崛起，能否挑戰(zhàn)NXP壟斷地位？
1987年，Intel和Philips推出了第一款CAN控制器芯片，標志著CAN技術在汽車電子化領域的應用開始商業(yè)化。到2019年，中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析顯示，中國汽車產量達到2572萬輛，國內市場對CAN通訊芯片的需求達到了約30億元人民幣。估算顯示，國內每年需求CAN芯片約12.5億顆，全球需求超過45億顆。LIN芯片年使用量約1億顆，年增長率約為13%，其中CAN/LIN SBC芯片約占總市場的10%。
市場上主要的CAN/LIN芯片供應商包括NXP、德州儀器（TI）、英飛凌、瑞薩、意法半導體和安森美，以及國內的北京君正、芯力特等。其中NXP在全球市場占據壟斷地位，而TI和安森美通過價格策略逐步提升了市占率。
國產CAN/LIN/SBC芯片的研發(fā)起步較晚，因為車規(guī)等級的芯片研發(fā)周期長、難度大、成本高，而且單個芯片售價不高、單個客戶的采購量不大，且客戶眾多而且分布廣泛。該市場的售價已經被國外廠商掌握，因此大多數(shù)國內公司更加關注于某一兩款特定芯片，以爭奪細分市場。目前國內通過能實現(xiàn)AEC-Q100能力的公司并不多，所以該類產品留給國內公司的市場空間巨大。隨著2022年車規(guī)芯片的大缺貨，目前各大國產廠商紛紛加速進入CAN IC市場進行布局。
包括金升陽、川土微電子、芯力特、北京君正、絡明芯、3PEAK、英飛凌、茂睿芯、Holtek、晶焱科技、信路達等公司通過技術創(chuàng)新和產品優(yōu)化，提供了一系列支持CAN和CAN FD協(xié)議的收發(fā)器芯片。這些芯片不僅支持高速數(shù)據傳輸，而且具備低功耗、高可靠性、強大的電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）保護功能，能夠適應惡劣的汽車應用環(huán)境。
盡管市場前景廣闊，但車載網絡領域的技術挑戰(zhàn)仍然存在。如何在保證高數(shù)據傳輸速率的同時，進一步提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，減少外部干擾，提高電磁兼容性，是廠商們面臨的主要技術難題。此外，隨著5G、物聯(lián)網（IoT）等新技術的融合應用，未來車載網絡將更加復雜，對收發(fā)器芯片的性能提出了更高的要求。
在汽車電子和智能化快速發(fā)展的背景下，國產半導體制造商推出的CAN總線和CAN FD收發(fā)器芯片在提升通訊速率、降低功耗、增強電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）保護方面競爭激烈。以目前市面上主流的CAN控制器產品——NXP的TJA1055T/3/1J為例，目前各大國產廠商都推出替代的IC產品，有不少在技術參數(shù)上都更具優(yōu)勢，以下為與非研究院整理的部分CAN IC玩家及產品介紹：
- NXP - TJA1055T/3/1J
NXP的TJA1055T/3/1J是針對低速應用設計的接口控制器，提供差分接收和發(fā)送功能，適用于乘用車最高125 kBd。它是TJA1054和TJA1054A的增強版，提供額外的改進，如更好的錯誤處理能力和在異常情況下的單線傳輸模式，確保了更高的通信可靠性。
- 金升陽 - SCM3425ASA
金升陽的SCM3425ASA是滿足AEC-Q100車規(guī)級測試的CAN總線收發(fā)器，支持CAN FD。其耐壓能力為-42V～42V，具有出色的電磁干擾（EMI）防護和極低的電磁輻射能量，保證了在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行。
- 川土微電子 - CA-IF1042VS-Q1
川土微電子的CA-IF1042VS-Q1是車規(guī)級CAN收發(fā)器，獲得德國C&S兼容性認證和AEC-Q100 Grade 1認證。其通過C&S兼容性認證意味著該產品能夠與主流通訊網絡無障礙地互聯(lián)互通，為整車系統(tǒng)提供了廣泛的適應性。
- 芯力特
芯力特在CAN/LIN芯片領域處于領先地位，其產品基于BCD工藝，滿足車載市場和其他新興市場的應用需求。自2018年成功量產國內第一款自主研發(fā)CAN總線收發(fā)器芯片以來，芯力特已發(fā)布二十余款CAN/CAN FD/LIN收發(fā)器芯片，累計出貨量超過1億顆，打破了國外的技術壟斷。
- 北京君正 - Lumissil
北京君正旗下的Lumissil品牌推出了CAN SBC IS32IO1163和LIN SBC IS32IO1028芯片，支持CAN FD并符合多項國際標準。這些芯片集成了LDO及CAN收發(fā)器，提供了強大的ESD保護能力和抗電磁輻射能力，適用于各種車載網絡系統(tǒng)。
- 絡明芯
絡明芯推出的LIN SBC和CAN FD SBC芯片通過AEC-Q100 grade 2認證，為車載網絡提供了穩(wěn)健可靠的通訊解決方案。這些新的SBC芯片滿足了汽車電子復雜化、智能化需求的不斷增長，提供了更大的價值和更好的通訊實現(xiàn)。
- 3PEAK - TPT1145Q等系列
3PEAK的TPT1145Q等系列芯片提供高速CAN收發(fā)功能，符合ISO11898-2：2016規(guī)范，支持高達5Mbps的CAN FD。這些產品具有超低功耗睡眠模式和強大的±10 kV IEC61000-4-2接觸放電保護，確保了高性能和高可靠性。
市場主流CAN IC廠商及產品（部分），來源：與非研究院整理
車載CAN總線的五大發(fā)展趨勢
在過去，汽車網絡的運行速度普遍低于100Mbps。然而，隨著汽車開始根據各個區(qū)域的輸入做出更為重要的決策，數(shù)千兆位的速度將被引入車輛中以實現(xiàn)數(shù)據的快速移動。這種變化預示著汽車通信網絡的重大轉型，其中10/100/1000BASE-T1汽車以太網和低速總線（如CAN及其變體）將在很長一段時間內繼續(xù)為大多數(shù)低速通信提供服務。
由于CAN總線技術的局限性，特別是在最高傳輸速率僅為1Mbps的背景下，對于數(shù)據密集型的應用場景，如自動駕駛和多媒體傳輸，這種傳統(tǒng)的通信協(xié)議顯得力不從心。為了應對日益增長的數(shù)據傳輸需求，行業(yè)內部開始發(fā)展新的通信協(xié)議和技術，包括CAN FD、MOST、LVDS和以太網等，以滿足更高數(shù)據傳輸速率的需求。
隨著高檔乘用車車載電子裝置的迅速增加，CAN總線的應用使整車控制系統(tǒng)形成“局部成網、區(qū)域互聯(lián)”的格局。展望未來，關于下一代CAN通信技術的討論在業(yè)界激烈進行中。
在新一代汽車通信網絡中，CAN FD技術被視為一項重要進展。與傳統(tǒng)CAN相比，CAN FD能夠以更高的速度傳輸更多數(shù)據，最大數(shù)據傳輸速率可達5Mbps，數(shù)據有效負荷增加8倍，達到最高支持64字節(jié)。這使得CAN FD成為了下一代主流汽車總線系統(tǒng)的有力競爭者。CAN FD的推出，為汽車電子系統(tǒng)提供了更高的通信性能，更好地支持了自動駕駛、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等數(shù)據密集型的應用。
2020年第17屆國際CAN大會上，CiA協(xié)會（CAN in Automation）介紹了第三代CAN通信技術CAN XL（CAN Extra Long）。CAN XL的數(shù)據場長度提升至最高2048 byte，速率進一步提升至10Mbps甚至20Mbps。這標志著CAN技術在追求更高速率和更大數(shù)據處理能力方面邁出了重要一步。
展望未來，車載網絡將會發(fā)展成為基于域控制器的混合車載網絡架構。在這種架構下，以太網將成為主干網絡，而傳統(tǒng)的CAN/CAN FD、LIN等將繼續(xù)在低容量通訊場景下使用。這種混合網絡架構，旨在滿足高速數(shù)據通信的同時，保持系統(tǒng)的靈活性和成本效益。與非研究院認為，未來車載CAN總線的發(fā)展將呈現(xiàn)五大主要發(fā)展趨勢：
1.高數(shù)據傳輸速率和大數(shù)據處理能力：
CAN FD（Flexible Data-rate）和CAN XL（Extra Long）技術的出現(xiàn)，提供了比傳統(tǒng)CAN更高的數(shù)據傳輸速率（高達5Mbps甚至20Mbps）和更大的數(shù)據負載能力（最高2048字節(jié)），滿足了現(xiàn)代汽車和工業(yè)應用中對高速通信和大數(shù)據處理的需求。
2.網絡集成與功能融合：
為了提高車內電子模塊的集成度，適應EE架構由分布式向集中式架構演變的趨勢，部分公司已經開始研制功能組合網絡功能的車規(guī)級芯片。這些芯片的研制，不僅是技術進步的體現(xiàn)，也是對市場需求快速響應的結果。這些芯片融合了以太網、CAN、LIN等多種通信技術，提高了系統(tǒng)集成性和可靠性。
3.向以太網技術的過渡：
雖然CAN總線技術仍將在很長一段時間內繼續(xù)使用，但以太網技術因其更高的帶寬和傳輸距離，正在逐漸成為主干網絡技術。特別是在自動駕駛和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等數(shù)據傳輸密集型應用中，以太網技術顯示出其優(yōu)越性。
4.安全性和可靠性的提高：
隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對網絡安全和數(shù)據保護的需求也日益增加。CAN和CAN FD網絡通過硬件安全模塊和專用軟件進行消息身份驗證，以確保網絡的安全性。對于新興的網絡技術，如汽車以太網，也在積極探索采用MACSEC或IPSEC等方式來提高網絡的安全性。新的CAN技術和融合技術都強調了增強的安全性和錯誤處理能力，以確保數(shù)據的安全傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
5.兼容性與互操作性：
新興的CAN技術和融合技術在設計時考慮了與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性和互操作性，以便于這些新技術能夠平滑過渡到現(xiàn)有的應用中，減少系統(tǒng)升級的復雜性和成本。
下載ECAD模型
