摘要

本文綜述了國科安芯推出的國產(chǎn)CANFD芯片ASM1042系列的技術(shù)特性與應(yīng)用前景。ASM1042系列作為一款高性能的CANFD收發(fā)器，支持5Mbps的高速通信和高達(dá)±70V的總線耐壓，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制和航空航天等領(lǐng)域。文中詳細(xì)分析了其高速率設(shè)計(jì)、高耐壓設(shè)計(jì)、低功耗特性以及多領(lǐng)域的應(yīng)用場景，并探討了其在不同領(lǐng)域中的技術(shù)優(yōu)勢和潛在應(yīng)用價(jià)值。

1.引言

隨著工業(yè)化、智能化的加速發(fā)展，工業(yè)自動化、汽車電子及航空航天等領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)通信的要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的CAN總線系統(tǒng)逐漸難以滿足日益增長的高帶寬和高實(shí)時(shí)性需求。CANFD（CAN Flexible Data-rate ）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它通過引入可變數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀長度，顯著提升了通信效率和靈活性，成為滿足現(xiàn)代工業(yè)和汽車系統(tǒng)復(fù)雜通信需求的關(guān)鍵技術(shù)。

2.CANFD技術(shù)概述

2.1CANFD協(xié)議的演進(jìn)

傳統(tǒng)CAN協(xié)議具有簡單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但其最高通信速率僅為1Mbps，并且?guī)瑪?shù)據(jù)長度有限，這在現(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)中往往難以滿足需求。CANFD協(xié)議通過引入靈活的數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)展幀格式，顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，使其能夠適應(yīng)更高速、更復(fù)雜的應(yīng)用場景。

2.2CANFD的技術(shù)優(yōu)勢

靈活的數(shù)據(jù)速率 ：CANFD協(xié)議支持高達(dá)8Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和應(yīng)用需求動態(tài)調(diào)整。

擴(kuò)展的數(shù)據(jù)幀長度 ：CANFD協(xié)議對幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，增加了每幀的數(shù)據(jù)長度，從而減少了協(xié)議開銷，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

兼容性 ：CANFD協(xié)議向下兼容傳統(tǒng)CAN協(xié)議，能夠與現(xiàn)有的CAN網(wǎng)絡(luò)無縫集成。

3.ASM1042系列CANFD芯片的技術(shù)特性

3.1高速率設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效通信

3.1.1高速通信能力

ASM1042系列CANFD收發(fā)器支持高達(dá)5Mbps的通信速率，顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。這一高速率設(shè)計(jì)使其能夠滿足車載網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)自動化等高帶寬場景的需求。在當(dāng)今的汽車電子系統(tǒng)中，隨著智能駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛內(nèi)部的傳感器和控制單元之間的數(shù)據(jù)交互日益頻繁。ASM1042的高速通信能力能夠確保這些數(shù)據(jù)的快速傳輸和實(shí)時(shí)處理，從而提高車輛的安全性和舒適性。

3.1.2低延時(shí)電路設(shè)計(jì)

ASM1042采用了優(yōu)化的信號處理架構(gòu)和低延時(shí)電路設(shè)計(jì)，其典型環(huán)路延時(shí)僅為110ns，顯性轉(zhuǎn)隱性延時(shí)低至75ns（典型值）。低延時(shí)設(shè)計(jì)對于確保數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)和高效處理至關(guān)重要，尤其是在高負(fù)載的CANFD網(wǎng)絡(luò)中。這種低延時(shí)特性使得ASM1042能夠在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換和傳輸，有效減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.1.3顯性超時(shí)保護(hù)功能

ASM1042內(nèi)置了顯性超時(shí)保護(hù)功能（TXD DTO），這是一種重要的容錯(cuò)機(jī)制，有效避免了因發(fā)送器故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)阻塞。當(dāng)引腳TXD上的低電平持續(xù)時(shí)間超過預(yù)設(shè)的顯性超時(shí)時(shí)間時(shí)（1.2至3.8ms），發(fā)送器將自動被禁止，CAN總線進(jìn)入隱性狀態(tài)。這一機(jī)制確保了即使在發(fā)送器出現(xiàn)故障的情況下，網(wǎng)絡(luò)仍能正常運(yùn)行，避免了因單一節(jié)點(diǎn)的故障而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

3.2高耐壓設(shè)計(jì)強(qiáng)化環(huán)境適應(yīng)性

3.2.1總線耐壓能力

ASM1042系列的總線耐壓能力高達(dá)±70V，能夠有效應(yīng)對工業(yè)和車載環(huán)境中的電壓波動。在汽車電子系統(tǒng)中，由于車輛電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，電壓波動是常見的現(xiàn)象。例如，在發(fā)動機(jī)啟動或負(fù)載突變時(shí)，電源電壓可能會出現(xiàn)瞬態(tài)變化。ASM1042的高耐壓設(shè)計(jì)能夠確保在這種情況下仍能正常工作，避免因電壓波動導(dǎo)致的通信故障。

3.2.2共模輸入電壓范圍

ASM1042具有±30V的共模輸入電壓范圍，這使其能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持穩(wěn)定運(yùn)行。在工業(yè)自動化和汽車電子領(lǐng)域，電磁干擾是一個(gè)常見的問題，尤其是在高功率設(shè)備和高頻信號存在的環(huán)境中。ASM1042的寬共模輸入電壓范圍能夠有效抵抗電磁干擾，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

3.2.3靜電放電保護(hù)

ASM1042的總線引腳通過了±15kV IEC 61000-4-2接觸放電測試，組件充電模型（CDM）防護(hù)能力達(dá)到±1500V。靜電放電（ESD）是一種常見的電磁現(xiàn)象，它可能導(dǎo)致電子器件的損壞，特別是在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過程中。ASM1042的強(qiáng)大靜電防護(hù)能力能夠有效降低ESD對芯片的損壞風(fēng)險(xiǎn)，提高芯片的使用壽命和可靠性。

3.2.4電源保護(hù)功能

ASM1042的VCC和VIO引腳配備了欠壓保護(hù)功能，其閾值分別為4.2V和1.3V，并結(jié)合了熱關(guān)斷（TSD）機(jī)制，確保器件在極端工況下的安全運(yùn)行。電源電壓異常是一個(gè)常見的問題，尤其是在復(fù)雜的電氣系統(tǒng)中。欠壓保護(hù)功能能夠確保當(dāng)電源電壓低于安全閾值時(shí)，芯片自動進(jìn)入保護(hù)模式，避免因電壓不足導(dǎo)致的器件損壞。

3.3低功耗特性與節(jié)能優(yōu)化

3.3.1低功耗待機(jī)模式

ASM1042系列CANFD收發(fā)器具備低功耗待機(jī)模式，其典型功耗僅為0.5μA，這在需要長期運(yùn)行的設(shè)備中具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。低功耗設(shè)計(jì)對于延長電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間至關(guān)重要，尤其是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等應(yīng)用中。

3.3.2動態(tài)功耗管理

除了低功耗待機(jī)模式，ASM1042還通過動態(tài)功耗管理機(jī)制進(jìn)一步優(yōu)化了能耗。在正常工作模式下，芯片能夠根據(jù)實(shí)際通信需求動態(tài)調(diào)整功耗，確保在高負(fù)載條件下仍能保持高效運(yùn)行，同時(shí)在低負(fù)載條件下降低能耗。

3.3.3能源效率優(yōu)化

ASM1042的低功耗設(shè)計(jì)還通過優(yōu)化芯片的能源效率進(jìn)一步提升了其在節(jié)能方面的表現(xiàn)。例如，其低功耗待機(jī)模式和動態(tài)功耗管理機(jī)制能夠顯著減少芯片在非活動狀態(tài)下的能量消耗，提高整體能源利用效率。

4.ASM1042系列的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1汽車電子

4.1.1車身控制

在汽車電子領(lǐng)域，車身控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車輛基本功能和舒適性控制的重要組成部分。ASM1042系列CANFD收發(fā)器在車身控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對車門、車窗、座椅等部件的高效控制與狀態(tài)監(jiān)測。例如，車門控制模塊可以通過CANFD總線接收來自車身控制單元（BCM）的命令，實(shí)現(xiàn)車門的開啟和關(guān)閉。ASM1042的5Mbps通信速率確保了這些控制命令能夠快速傳輸至車門控制模塊，減少了控制延遲。同時(shí)，其高耐壓設(shè)計(jì)能夠有效抵御汽車電氣系統(tǒng)中的電壓波動，確保車門控制模塊在各種工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1.2動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)是汽車的核心組成部分，其性能直接影響車輛的駕駛性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。ASM1042在動力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)控制單元（ECU）、變速箱控制單元（TCU）等核心部件之間的高速數(shù)據(jù)交換。在發(fā)動機(jī)管理中，ECU需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制發(fā)動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、燃油噴射量等。ASM1042的高速通信能力確保了這些參數(shù)能夠快速傳輸至ECU，從而實(shí)現(xiàn)更精確的發(fā)動機(jī)控制。在變速箱控制方面，TCU通過CANFD總線接收來自ECU和其他傳感器的數(shù)據(jù)，控制變速箱的換擋時(shí)機(jī)和檔位選擇。ASM1042的低延時(shí)設(shè)計(jì)確保了換擋控制信號的及時(shí)傳遞，提高了換擋的平順性和駕駛舒適性。

4.1.3高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）是現(xiàn)代汽車中的重要技術(shù)，旨在提高行車安全性和駕駛舒適性。ASM1042在ADAS系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在傳感器數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時(shí)處理。例如，自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛與前車的距離和相對速度，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)整車輛的行駛速度。ASM1042的5Mbps通信速率能夠確保雷達(dá)傳感器采集的距離和速度數(shù)據(jù)快速傳輸至ACC控制單元，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)的速度調(diào)整。此外，車道保持輔助（LKA）系統(tǒng)依賴于攝像頭采集的道路標(biāo)線信息來保持車輛在車道內(nèi)行駛。ASM1042的低延時(shí)特性能夠確保攝像頭數(shù)據(jù)的快速傳輸和處理，使LKA系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)向修正指令，提高行車安全性。

4.2工業(yè)控制

4.2.1工業(yè)自動化

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的核心競爭力。ASM1042系列CANFD收發(fā)器在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用，能夠顯著提高設(shè)備之間的通信效率和控制精度。例如，在汽車制造生產(chǎn)線中，機(jī)器人焊接、涂裝和裝配等工序需要高度精確的控制和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。ASM1042的5Mbps通信速率能夠支持大量控制信號和傳感器數(shù)據(jù)的快速傳輸，確保機(jī)器人能夠按照預(yù)設(shè)的程序準(zhǔn)確執(zhí)行焊接、涂裝和裝配任務(wù)。同時(shí)，其高耐壓設(shè)計(jì)和靜電防護(hù)能力能夠有效抵御工業(yè)環(huán)境中的電壓波動和電磁干擾，確保機(jī)器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.2機(jī)器人控制

機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和物流搬運(yùn)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。ASM1042在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在關(guān)節(jié)控制器、傳感器和主控制器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制都需要精確的指令和實(shí)時(shí)的反饋。ASM1042能夠支持高達(dá)5Mbps的通信速率，確保關(guān)節(jié)控制器能夠快速接收來自主控制器的運(yùn)動指令，并實(shí)時(shí)反饋關(guān)節(jié)的位置和狀態(tài)信息。這種高效的通信機(jī)制使得機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動軌跡和精確的動作控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3商業(yè)航天

4.3.1衛(wèi)星控制系統(tǒng)

在商業(yè)航天領(lǐng)域，衛(wèi)星控制系統(tǒng)是確保衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行和完成任務(wù)的關(guān)鍵。ASM1042的企業(yè)宇航級型號憑借其卓越的抗單粒子效應(yīng)（SEU≥75MeV·cm2/mg）能力，適用于衛(wèi)星控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信。衛(wèi)星在太空環(huán)境中面臨著高輻射、極端溫度變化和微流星體撞擊等嚴(yán)苛條件，這對電子器件的可靠性和穩(wěn)定性提出了極高的要求。ASM1042的高耐壓設(shè)計(jì)和抗輻射能力使其能夠在太空環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行，確保衛(wèi)星控制系統(tǒng)和星載設(shè)備之間的可靠通信。

4.3.2星載設(shè)備通信

星載設(shè)備之間的通信對于衛(wèi)星任務(wù)的成功至關(guān)重要。ASM1042在星載設(shè)備通信中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在姿態(tài)控制、軌道調(diào)整和數(shù)據(jù)采集等方面。例如，在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中，ASM1042可以用于連接陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器與姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理。其低延時(shí)特性能夠確?？刂菩盘柕募皶r(shí)傳遞，提高姿態(tài)控制的精度和響應(yīng)速度。在軌道調(diào)整過程中，ASM1042可以用于連接發(fā)動機(jī)控制單元和軌道控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)推力數(shù)據(jù)的快速傳輸和精確控制，確保衛(wèi)星能夠準(zhǔn)確地調(diào)整軌道位置。

5.未來發(fā)展趨勢與展望

5.1技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著智能化、電動化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，CANFD協(xié)議將繼續(xù)演進(jìn)以滿足更高的性能需求。未來，CANFD技術(shù)可能在以下幾個(gè)方面取得突破：

更高的通信速率 ：隨著硅工藝的不斷進(jìn)步，CANFD芯片的通信速率有望進(jìn)一步提高，以支持更高速的數(shù)據(jù)傳輸和更復(fù)雜的系統(tǒng)需求。

增強(qiáng)的抗干擾能力 ：為適應(yīng)更復(fù)雜的電磁環(huán)境，CANFD芯片將采用更先進(jìn)的信號處理技術(shù)和抗干擾設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。

集成化與多功能化 ：未來CANFD芯片可能集成了更多功能，如安全加密模塊、診斷接口和智能網(wǎng)關(guān)功能，以滿足智能化系統(tǒng)的需求。

5.2應(yīng)用擴(kuò)展前景

在應(yīng)用方面，CANFD技術(shù)將不斷拓展到新的領(lǐng)域：

智能交通系統(tǒng) ：隨著自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，CANFD將在車輛與車輛（V2V）、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）以及車輛與行人（V2P）的通信中發(fā)揮重要作用，實(shí)現(xiàn)更高效、更安全的交通管理。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT） ：在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，CANFD將支持大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備之間的高速、可靠通信，推動工業(yè)生產(chǎn)的智能化和自動化水平。

醫(yī)療設(shè)備與機(jī)器人 ：在醫(yī)療設(shè)備和手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域，CANFD技術(shù)的高速率和高可靠性特性將為設(shè)備的精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測提供支持，提高醫(yī)療設(shè)備的安全性和有效性。

5.3國產(chǎn)CANFD芯片的機(jī)遇

對于國產(chǎn)CANFD芯片來說，未來的發(fā)展充滿機(jī)遇：

政策支持與市場需求 ：國家對自主創(chuàng)新和國產(chǎn)化的政策支持力度不斷加大，為國產(chǎn)CANFD芯片的研發(fā)和推廣提供了良好的政策環(huán)境。同時(shí)，國內(nèi)汽車、工業(yè)和航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅蹸ANFD芯片的需求持續(xù)增長，為國產(chǎn)芯片提供了廣闊的市場空間。

技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級 ：隨著國內(nèi)半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，國產(chǎn)CANFD芯片在性能、可靠性和成本方面將逐步具備更強(qiáng)的競爭力。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，國產(chǎn)芯片有望在國際市場上占據(jù)一席之地。

國際合作與市場拓展 ：在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代的同時(shí)，國內(nèi)芯片企業(yè)也可以通過國際合作與技術(shù)交流，拓展國際市場，提升品牌的國際影響力。

6.結(jié)論

綜上所述，ASM1042系列CANFD收發(fā)器憑借其高速率、高耐壓、低功耗以及多領(lǐng)域的適應(yīng)性，展現(xiàn)出卓越的技術(shù)特性和廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的持續(xù)增長，國產(chǎn)CANFD芯片有望在未來發(fā)揮更加重要的作用。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新、政策支持和市場拓展，國產(chǎn)CANFD芯片將在智能化、電動化和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的浪潮中迎來更大的發(fā)展機(jī)遇，為我國工業(yè)和科技領(lǐng)域的現(xiàn)代化建設(shè)提供有力支撐。