Appliquer les dernières améliorations des bus CAN pour des communications automobiles haute vitesse fiables et sécurisées

Depuis des années, les concepteurs comptent sur les réseaux CAN (Controller Area Network) pour obtenir des communications fiables entre les différents sous-systèmes et calculateurs (ECU) d'une automobile. Cependant, le nombre de nœuds réseau embarqués a augmenté, tout comme le débit de données requis et les exigences de latence plus faible et de sécurité plus avancée, et ce avec d'importantes contraintes en termes de taille, de poids et de coût. Pourtant, de nombreux concepteurs préféreraient ne pas avoir à modifier les topologies de réseau et, grâce aux améliorations constantes apportées à la spécification CAN et aux solutions de circuits intégrés connexes, ils n'ont pas à le faire.

Le passage à une autre topologie de réseau est rendu difficile par la perte d'investissements antérieurs et par les éventuels retards de conception à mesure que les concepteurs progressent. Cette difficulté peut toutefois être évitée en observant de plus près les améliorations de la spécification CAN, comme CAN avec débits de données flexibles (FD) pour des débits plus élevés, ainsi qu'en utilisant des techniques comme les réseaux partiels pour gérer les fuites et les interférences, des marges temporelles plus restreintes pour garantir des communications fiables à des débits de données plus élevés et une sécurité avancée.

De plus, les fournisseurs d'émetteurs-récepteurs CAN ont eux aussi répondu aux exigences de conception, avec des solutions mieux intégrées qui incorporent les améliorations CAN pour mieux servir les applications émergentes comme les systèmes avancés d'aide à la conduite, les groupes motopropulseurs et l'infodivertissement.

Cet article aborde brièvement les CAN et leurs améliorations, notamment la façon dont les concepteurs peuvent gérer la transition vers des itérations plus avancées, comme la technologie CAN FD. Au passage, il présente des solutions CAN adaptées et explique comment les utiliser pour des débits de données plus rapides, une meilleure fiabilité et une plus haute sécurité.

CAN avec débits de données flexibles (CAN FD)

Maintenant que les véhicules intègrent plus d'équipements électroniques à leur bord, les concepteurs exigent de plus hautes performances, mais plutôt que de passer à un réseau entièrement différent, ils peuvent profiter des améliorations de la technologie CAN, à commencer par CAN FD. Cette amélioration fournit des débits allant jusqu'à 5 Mbit/s, contrairement au 1 Mbit/s (maximum) de la spécification CAN d'origine, définie par la norme ISO 11898. Cette limitation du débit de données a forcé les concepteurs automobiles à ajouter plus de dispositifs et de connexions en réseau CAN à l'intérieur des véhicules, ce qui a inévitablement entraîné une augmentation du câblage, des pertes de puissance et du poids.

La norme CAN FD résout le dilemme de la bande passante, tout en portant les débits de données à 2 Mbit/s dans des conditions nominales et à 5 Mbit/s en mode programmation. Cette amélioration CAN majeure va de pair avec une fréquence d'images modifiée qui augmente le champ de données de 8 octets à 64 octets pour une prise en charge plus efficace des applications gourmandes en données (Figure 1).

Figure 1 : La norme CAN FD, mise à jour en 2012, augmente le nombre maximum d'octets de données dans la charge utile de 8 à 64 octets. (Source de l'image : Microchip Technology)

Transition de CAN classique à CAN FD

La quantité de données transmises par les réseaux embarqués augmente constamment avec l'ajout de caméras et de capteurs, notamment ceux utilisés dans les systèmes avancés d'aide à la conduite. Si les réseaux CAN FD à vitesse plus élevée peuvent aider, ils requièrent une plus grande précision au cours de leur développement. À des vitesses de données plus élevées, par exemple, la marge disponible pour stabiliser la valeur en bits diminue rapidement, ce qui augmente la possibilité d'erreurs et fragilise la fiabilité intrinsèque du CAN.

Certains problèmes, comme le courant de fuite d'interférence, peuvent être générés par une transmission de données à vitesse plus élevée au sein du réseau CAN. De plus, l'implémentation d'un système CAN FD aux côtés d'un CAN classique pose un défi majeur pour garantir qu'aucune erreur n'est introduite par la configuration hybride du réseau.

Pour répondre à certains de ces problèmes, Microchip Technology a lancé l'émetteur-récepteur CAN haute vitesse MCP2561/2FD. Ce dispositif offre les mêmes fonctionnalités principales que son prédécesseur, le MCP2561/2, mais il ajoute la symétrie garantie du temps de propagation en boucle afin de prendre en charge les débits de données plus élevés requis pour CAN FD (Figure 2). En retour, cela réduit le temps de propagation maximum afin de prendre en charge de plus longues connexions réseau et un plus grand nombre de nœuds sur le bus CAN. Plus précisément, l'émetteur-récepteur CAN MCP2561/2FD présente un temps de propagation maximum de 120 nanosecondes (ns).

Figure 2 : L'émetteur-récepteur CAN MCP2561/2FD présente une symétrie en boucle garantie qui permet de plus longues connexions réseau et un plus grand nombre de nœuds sur le bus CAN. (Source de l'image : Microchip Technology)

Microchip et d'autres fournisseurs d'émetteurs-récepteurs sont également en train d'implémenter le mécanisme de réseau partiel conforme à la norme ISO 11898-2:2016. Les réseaux partiels garantissent une transition en douceur des systèmes CAN classiques vers des systèmes CAN FD à vitesse plus élevée en prenant en charge une fonctionnalité d'activation sélective et la polarisation de bus autonome.

Par exemple, l'émetteur-récepteur CAN haute vitesse TJA1145 de NXP Semiconductors prend en charge des débits de données jusqu'à 2 Mbit/s et intègre des réseaux partiels via une fonction d'activation sélective appelée FD Passive. Cette fonction permet aux contrôleurs CAN standard qui n'ont pas besoin de transmettre de messages CAN FD de rester en mode veille lors d'une communication CAN FD, sans générer d'erreurs de bus.

À terme, tous les contrôleurs CAN devront respecter la norme de bus CAN haute vitesse, ce qui transformera tous les nœuds de bus CAN en nœuds FD actifs. Mais d'ici là, les réseaux partiels combleront le fossé entre le monde des CAN classiques et celui des CAN FD.

NXP propose également la technologie CAN FD Shield qui filtre de manière dynamique les messages CAN FD à l'aide d'un oscillateur haute précision. Comme pour les réseaux partiels, les émetteurs-récepteurs CAN qui utilisent la fonctionnalité FD Shield offrent un équivalent exact pour les émetteurs-récepteurs existants et ne nécessitent donc pas de modifications logicielles. NXP a terminé l'évaluation de sa technologie FD Shield avec AUTOSAR (Automotive Open Systems Architecture) et met les échantillons à disposition des principaux fabricants OEM automobiles et des fournisseurs de niveau 1.

Protection des bus avec des émetteurs-récepteurs CAN plus compacts

Outre les débits de données plus rapides, les concepteurs peuvent profiter de solutions CAN hautement intégrées qui réduisent les coûts de nomenclature et l'espace sur la carte. Toutefois, les dispositifs sont souvent placés à proximité les uns des autres ou près d'autres composants électroniques sensibles. Il faut donc veiller à ce qu'ils ne causent pas d'interférences ou ne soient pas exposés à des interférences, et c'est pourquoi les interférences électromagnétiques (EMI) et l'immunité au bruit sont des caractéristiques importantes. Les émetteurs-récepteurs CAN utilisent souvent des filtres discrets, des bobines d'arrêt de mode commun et des suppresseurs de tension transitoire (TVS) pour contrer les problèmes liés aux décharges électrostatiques (DES) et aux interférences électromagnétiques.

Pour en savoir plus sur le thème essentiel des TVS pour les bus CAN, consultez l'article relatif à la protection par diode TVS pour améliorer la fiabilité des bus CAN.

Cependant, les concepteurs automobiles recherchent de plus en plus de moyens de réduire le poids et le coût des conceptions basées CAN. Par exemple, les émetteurs-récepteurs TCAN1042 et TCAN1051 de Texas Instruments ont supprimé la bobine d'arrêt pour réduire le nombre de composants tout en continuant de se conformer aux exigences strictes d'immunité au bruit (Figure 3).

Figure 3 : L'émetteur-récepteur CAN TCAN1042 offre des fonctionnalités de protection pour améliorer la robustesse CAN. Il est utilisé dans des applications telles que les modules de contrôle CVC automobiles et les télécommandes intelligentes RF. (Source de l'image : Texas Instruments)

La protection contre les défaillances élevées de bus et les décharges électrostatiques est essentielle dans les systèmes CAN qui répondent désormais aux exigences de batteries de 12 V, 24 V et 48 V pour les véhicules, ainsi que 24 V pour les alimentations industrielles. Les broches de bus CAN sont protégées contre les tensions de court-circuit à CC grâce à une meilleure adaptation des signaux de sortie.

Les émetteurs-récepteurs TCAN1042 et TCAN1051 offrent une protection contre les décharges électrostatiques jusqu'à ±15 kilovolts (kV), ce qui peut potentiellement éliminer le recours à des diodes TVS externes. Par ailleurs, les concepteurs peuvent évaluer rapidement et facilement les performances de ces émetteurs-récepteurs CAN avec un module d'évaluation, le TCAN1042DEVM, qui fournit également des informations sur la terminaison de bus CAN, le filtrage de bus CAN et les concepts de protection.

Prochain objectif des CAN : la sécurité

Les réseaux embarqués basés sur CAN pour la liaison des calculateurs sont relativement simples et faciles à utiliser. Toutefois, un seul calculateur dont la sécurité est compromise peut rendre l'intégralité du véhicule vulnérable au piratage. Une option très répandue pour la protection des communications CAN est basée sur le mécanisme de code d'authentification des messages (MAC) qui utilise la cryptographie et la gestion de clés complexes. Cependant, le cryptage des messages CAN augmente la charge du bus CAN, la latence des messages et la consommation d'énergie. Il faut également prendre en compte la difficulté de mise à niveau des réseaux embarqués pour les communications CAN sécurisées en raison du manque de puissance de calcul dans les contrôleurs CAN actuellement installés.

Les émetteurs-récepteurs CAN plus récents sont équipés de mécanismes plus simples qui contournent la surcharge de bande passante, les retards et la charge de traitement. Ces émetteurs-récepteurs CAN sécurisés peuvent filtrer les identifiants des messages, de sorte que si un calculateur compromis tente d'envoyer un message avec un identifiant qui ne lui est pas attribué initialement, l'émetteur-récepteur peut refuser de le transmettre au bus CAN (Figure 4). En parallèle de la prévention des tentatives d'usurpation, un émetteur-récepteur CAN peut empêcher les attaques d'altération ou d'inondation en invalidant le message envoyé par le calculateur compromis.

Figure 4 : Pour réduire les exigences de latence et de bande passante tout en sécurisant le réseau CAN, certains émetteurs-récepteurs plus récents filtrent les identifiants des messages. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Ces émetteurs-récepteurs CAN offrent une sécurité contre l'inondation, l'usurpation et l'altération sans utiliser la cryptographie. Ils peuvent détecter un cyberincident si le message est invalidé au niveau du bus avec un indicateur d'erreur actif. Ensuite, l'émetteur-récepteur CAN sécurisé déconnecte temporairement l'hôte local du bus CAN.

Cependant, si aucune menace pour la sécurité n'est détectée, les émetteurs-récepteurs CAN agissent comme des émetteurs-récepteurs CAN haute vitesse standard. En d'autres termes, ces émetteurs-récepteurs CAN sécurisés peuvent constituer un équivalent exact des émetteurs-récepteurs CAN standard dans un boîtier similaire.

Ce que font ici les fournisseurs comme NXP, c'est d'implémenter entièrement les fonctionnalités de sécurité dans le matériel, permettant ainsi aux opérations de sécurité de l'émetteur-récepteur CAN d'être effectuées indépendamment des contrôleurs CAN. En retour, cela permet d'éviter les modifications logicielles du calculateur et le risque associé d'interruption du fonctionnement du calculateur.

Par ailleurs, l'émetteur-récepteur CAN sécurisé tient un journal pour signaler les incidents de sécurité au niveau du bus. Ces émetteurs-récepteurs CAN peuvent également protéger leurs propres mises à jour de configuration et ainsi agir comme système de détection des intrusions.

Conclusion

Le bus CAN a commencé son voyage en 1983, mais comme l'a montré cet article, il s'est bien adapté aux exigences de communications des concepteurs électroniques automobiles. Avant toute chose, les émetteurs-récepteurs CAN sont en train de subir un relooking avec la transition vers des réseaux CAN FD à plus haute vitesse. Ensuite, les émetteurs-récepteurs améliorent la fiabilité tout en réduisant les coûts de nomenclature et l'empreinte de conception, en éliminant des composants externes comme les bobines d'arrêt de mode commun et les diodes TVS. Enfin, les émetteurs-récepteurs CAN jouent un rôle dans la sécurisation du bus CAN en intégrant des fonctionnalités de sécurité dans le matériel de l'émetteur-récepteur. Cette fonctionnalité sécurise non seulement le bus CAN, mais aussi l'avenir de la voiture connectée.