UJA1169 CAN 配套系统基础芯片

UJA1169 是一款由 NXP 半导体公司生产的，专为汽车应用设计的 CAN（Controller Area Network）配套系统基础芯片（SBC - System Basis Chip）。在现代汽车电子系统中，CAN 总线是实现不同电子控制单元（ECU）之间高效、可靠通信的核心。UJA1169 作为 CAN SBC，集成了 CAN 收发器、电源管理单元（PMU）、电压稳压器、看门狗定时器以及故障诊断和保护功能，为汽车 ECU 提供了一站式解决方案。它的出现极大地简化了汽车 ECU 的设计复杂性，提高了系统的可靠性和鲁棒性，并有助于满足日益严格的汽车功能安全要求。

1. CAN 总线技术概述

在深入了解 UJA1169 之前，我们有必要先回顾一下 CAN 总线的核心概念。CAN 是一种串行通信协议，最初由 Robert Bosch GmbH 在 1980 年代开发，用于汽车内部的 ECU 之间的通信。它被设计为一种鲁棒、高效、成本低廉且错误容忍的通信方式，特别适用于恶劣的电磁环境。

1.1 CAN 总线的核心特点

• 多主站（Multi-Master）协议： 任何连接到 CAN 总线的设备都可以作为主站发送数据，无需中央控制器。

• 优先级仲裁： 当多个节点同时尝试发送数据时，CAN 总线通过**非破坏性位仲裁（Non-Destructive Bit-wise Arbitration）机制来解决冲突，优先级高的消息会赢得总线访问权，而优先级低的消息会暂停发送并等待总线空闲。消息的优先级由其仲裁字段（Arbitration Field）**决定，通常是消息标识符（Identifier）。

• 广播通信： CAN 消息以广播形式发送，所有连接到总线的节点都会接收到消息。每个节点根据消息标识符决定是否处理该消息。

• 错误检测与恢复： CAN 协议内置了强大的错误检测机制，包括 CRC（循环冗余校验）、位填充、应答确认等。一旦检测到错误，总线上的节点可以自动重传消息或进入错误状态，从而保证数据的可靠性。

• 差分信号传输： CAN 总线使用两根线（CAN-High 和 CAN-Low）进行差分信号传输，这种方式能够有效抑制共模噪声干扰，提高信号的抗干扰能力，使其在电磁环境恶劣的汽车中表现出色。

• 高可靠性： CAN 协议的高度鲁棒性和错误容忍能力使其成为汽车关键安全应用的首选。

1.2 CAN 消息帧结构

CAN 消息以帧的形式传输，主要有两种格式：标准帧（CAN 2.0A）和扩展帧（CAN 2.0B）。它们的主要区别在于标识符的长度。

• 标准帧（Standard Frame）：

• SOF（Start of Frame）： 单个显性位，表示帧的开始。

• Arbitration Field（仲裁字段）： 包含 11 位标识符和 RTR（Remote Transmission Request）位。

• Control Field（控制字段）： 包含 IDE（Identifier Extension）位和保留位，以及 4 位 DLC（Data Length Code），表示数据场的字节数（0-8字节）。

• Data Field（数据字段）： 0-8 字节的数据。

• CRC Field（循环冗余校验字段）： 15 位 CRC 校验码和 1 位 CRC 界定符，用于错误检测。

• ACK Field（应答字段）： 2 位，用于接收节点确认成功接收。

• EOF（End of Frame）： 7 个隐性位，表示帧的结束。

• IFS（Interframe Space）： 3 位，帧间隔。

• 扩展帧（Extended Frame）：

• 与标准帧类似，但仲裁字段包含 29 位标识符。

1.3 CAN 物理层

CAN 物理层定义了信号的电气特性、电平标准和拓扑结构。在汽车应用中，通常采用 ISO 11898 标准，使用两根双绞线进行差分传输。

• CAN-High (CAN_H) 和 CAN-Low (CAN_L)： 这两根线构成差分对。当总线处于显性状态（Dominant）时，CAN_H 电压高于 CAN_L；当总线处于隐性状态（Recessive）时，CAN_H 和 CAN_L 电压接近。显性状态代表逻辑“0”，隐性状态代表逻辑“1”。

• 终端电阻： CAN 总线的两端需要连接 120 欧姆的终端电阻，用于匹配阻抗，消除信号反射，确保信号完整性。

2. 什么是系统基础芯片（SBC）？

在现代汽车电子系统中，单个 ECU 通常需要多种功能，例如微控制器供电、CAN 通信接口、LIN 通信接口、看门狗、电压监控等。如果这些功能都由独立的芯片实现，将会导致电路板面积大、成本高、功耗大以及设计复杂。为了解决这些问题，**系统基础芯片（SBC）**应运而生。

2.1 SBC 的定义与作用

SBC 是一种高度集成的混合信号芯片，它将 ECU 中除主微控制器之外的多个基本功能模块集成到一个单一封装中。SBC 的主要目标是：

• 简化 ECU 设计： 通过集成多个功能，减少了分立元件的数量，简化了 PCB 布局，缩短了开发周期。

• 降低成本和尺寸： 减少了物料清单（BOM）成本和 PCB 尺寸。

• 提高可靠性： 减少了元器件数量和焊接点，从而降低了故障率。集成化的功能模块在芯片内部经过优化设计，具有更好的兼容性和鲁棒性。

• 增强功能安全性： 许多 SBC 内部集成了符合汽车功能安全标准（如 ISO 26262）的功能，例如先进的看门狗定时器、电压监控、故障诊断和失效安全机制。这有助于 ECU 达到更高的 ASIL（Automotive Safety Integrity Level）等级。

• 优化功耗： SBC 通常包含复杂的电源管理单元，支持多种低功耗模式，有助于降低整车功耗。

2.2 SBC 常见集成功能

典型的汽车 SBC 通常会集成以下一个或多个功能：

• 电源管理单元（PMU）： 提供稳定的电源输出，包括 LDO（Low-Dropout Regulator）或 DC-DC 转换器，为微控制器和其他外设供电。

• 总线收发器： 如 CAN 收发器、LIN 收发器、FlexRay 收发器等，用于与其他 ECU 进行通信。

• 看门狗定时器（Watchdog Timer）： 监控微控制器的工作状态，防止其死机或程序跑飞，并在必要时执行复位操作。

• 电压监控： 监控电源电压，确保其在安全范围内，并在电压异常时发出警告或复位系统。

• 温度监控： 监控芯片内部温度，防止过热。

• 通用输入/输出（GPIO）： 用于简单的控制和状态检测。

• 故障诊断与保护： 如过流保护、过温保护、短路保护等，提高系统的鲁棒性。

• 唤醒功能： 支持总线唤醒或引脚唤醒，使系统从低功耗模式恢复工作。

3. UJA1169 CAN 配套系统基础芯片：深入剖析

UJA1169 是 NXP 推出的一款高度集成的 CAN SBC，专门针对汽车应用中对可靠性、功能安全和成本效益有严格要求的 ECU 而设计。它集成了 CAN FD 收发器、多种电源稳压器、看门狗定时器、故障诊断和保护功能，以及灵活的电源管理模式，为汽车 ECU 提供了全面的支持。

3.1 UJA1169 的核心功能模块

UJA1169 内部集成了多个关键功能模块，协同工作以提供完整的 ECU 解决方案：

• 3.1.1 CAN FD 收发器

• ISO 11898-2:2016 和 SAE J2962-2 兼容： 确保符合最新的国际和行业标准。

• 支持 CAN FD 和经典 CAN： 灵活适应不同的网络需求。

• 多种工作模式： 支持正常模式、待机模式、睡眠模式和总线唤醒等，实现灵活的电源管理。

• 先进的保护功能： 包括总线引脚对地短路、对电池短路保护、热保护、TXD 显性超时保护等，提高了系统的鲁棒性。

• 差分传输和共模抑制： 确保在恶劣的电磁环境中可靠通信。

• 更高的数据速率： 在仲裁和数据段可以有不同的比特率。在数据段，比特率可以高达 5 Mbps 或更高，而传统的 CAN 通常限制在 1 Mbps。这对于需要传输大量数据或实时性要求更高的应用（如 ADAS、车载信息娱乐系统）至关重要。

• 更大的数据负载： CAN FD 帧的数据字段长度可以从传统的 8 字节扩展到 64 字节，减少了消息开销，提高了总线效率。

• 向后兼容性： CAN FD 收发器通常与传统 CAN 收发器兼容，这意味着 CAN FD 网络可以包含传统 CAN 节点，方便系统升级和兼容性设计。

• UJA1169 最核心的功能之一是其集成的 CAN FD（Flexible Data-Rate CAN）收发器。CAN FD 是 CAN 协议的增强版，它在保持 CAN 现有优点的同时，显著提高了数据传输速率。

• CAN FD 的优势：

• UJA1169 CAN FD 收发器的特性：

• 3.1.2 电源管理单元（PMU）和稳压器

• Vcc（核心电源）： 通常是一个 LDO 或开关稳压器，为微控制器提供主电源，例如 5V 或 3.3V。

• Vio（I/O 电源）： 可能提供另一个 LDO，为微控制器的 I/O 引脚供电，允许其与不同电压级别的外设接口。

• Vbatt 监控： 实时监控汽车电池电压，确保系统在宽电压范围内稳定工作。

• 电源序列管理： 确保在 ECU 上电和下电时，不同电源轨按照正确的顺序进行，防止闩锁效应或损坏芯片。

• UJA1169 内部集成了高效的电源管理单元，为微控制器和其他外设提供稳定的电源。这通常包括多个独立的稳压器输出。

• 核心功能：

• 低功耗模式支持： UJA1169 的 PMU 支持多种低功耗模式，如睡眠模式和待机模式，通过关闭不必要的模块来降低功耗，从而延长汽车电池寿命。在这些模式下，芯片可以通过 CAN 总线活动或外部引脚唤醒。

• 3.1.3 看门狗定时器

• 可配置的定时周期： 允许根据应用需求设置看门狗的超时时间。

• 窗口看门狗： 许多先进的看门狗采用窗口模式，要求微控制器在特定的时间窗口内进行“喂狗”操作，既不能太早也不能太晚，这提供了更强的软件故障检测能力。

• 独立时钟源： 通常由一个独立的内部振荡器驱动，以确保其在主微控制器时钟出现故障时仍能正常工作。

• 复位输出： 如果微控制器在规定时间内未能“喂狗”，看门狗会触发一个复位信号，强制微控制器重新启动，从而使系统恢复正常运行。

• 功能安全合规： UJA1169 的看门狗通常设计符合 ISO 26262 功能安全标准的要求。

• 看门狗定时器是汽车 ECU 中至关重要的功能安全组件。它用于监控微控制器软件的运行状态，防止其因软件错误、干扰或其他原因而死机或进入无限循环。

• UJA1169 看门狗的特点：

• 3.1.4 故障诊断与保护机制

• 过温保护（OTP）： 监测芯片内部温度，当温度超过安全阈值时，自动进入保护模式，防止芯片损坏。

• 欠压锁定（UVLO）： 在电源电压低于预设阈值时，芯片将锁定其功能，以防止在不稳定的电源条件下错误操作。

• 过流保护（OCP）： 监测稳压器输出电流，防止过载或短路导致损坏。

• 总线引脚保护： CAN 总线引脚具有对地短路、对电池短路以及瞬态过压保护能力，确保在恶劣的汽车电气环境中稳定工作。

• TXD 显性超时： 防止 CAN 总线被一个持续的显性电平（逻辑 0）锁定，这可能是由微控制器故障引起的。

• 为了提高系统的鲁棒性和可靠性，UJA1169 集成了全面的故障诊断和保护功能。

• 主要保护机制：

• 故障报告： UJA1169 通常能够通过 SPI 接口向微控制器报告各种故障状态，从而使系统能够进行相应的错误处理和诊断。

• 3.1.5 SPI 接口

• 配置芯片： 微控制器可以通过 SPI 接口配置 UJA1169 的各种参数，如 CAN 模式、看门狗周期、电源模式等。

• 读取状态： 读取 UJA1169 的工作状态、故障标志、电源电压等信息。

• 故障诊断： 获取详细的故障信息，帮助系统进行诊断和错误处理。

• UJA1169 通常通过 SPI（Serial Peripheral Interface）与主微控制器进行通信。SPI 是一种高速、全双工的同步串行通信接口。

• SPI 的作用：

• 3.1.6 唤醒功能

• CAN 总线唤醒： 当 CAN 总线上有特定的消息活动时，UJA1169 可以检测到并唤醒微控制器。

• 本地唤醒引脚： 外部事件（如车门打开、点火开关切换等）可以通过特定的引脚触发唤醒。

• 为了实现节能，汽车 ECU 在车辆熄火后通常会进入低功耗睡眠模式。UJA1169 支持多种唤醒源，以便在需要时快速唤醒系统。

• 常见唤醒源：

3.2 UJA1169 的典型应用场景

UJA1169 主要应用于需要 CAN 通信的汽车 ECU 中，例如：

• 车身控制模块（BCM）： 控制车窗、车门锁、灯光、雨刮器等。

• 网关模块： 连接不同总线网络，如 CAN、LIN、Ethernet。

• 高级驾驶辅助系统（ADAS）： 雷达、摄像头、传感器融合单元等。

• 动力总成系统： 发动机控制单元（ECU）、变速箱控制单元（TCU）。

• 底盘系统： ABS、ESP、转向系统。

• 信息娱乐系统： 收音机、导航、车载通信。

• 新能源汽车： 电池管理系统（BMS）、电机控制器等。

3.3 UJA1169 的优势总结

• 高集成度： 集成了 CAN FD 收发器、电源管理、看门狗等核心功能，简化了 ECU 设计。

• 功能安全： 内置符合 ISO 26262 标准的功能安全机制，有助于实现高 ASIL 等级。

• 高性能： 支持 CAN FD，提供更高的数据传输速率和更大的数据负载。

• 鲁棒性： 具有全面的故障诊断和保护功能，可在恶劣的汽车环境中可靠工作。

• 灵活性： 支持多种工作模式和灵活的配置选项，适应不同的应用需求。

• 低功耗： 支持多种低功耗模式，有助于降低整车能耗。

• 成本效益： 高度集成减少了物料清单和设计成本。

4. UJA1169 的基础知识与选型考量

了解 UJA1169 的基础知识对于工程师在实际应用中进行选型和设计至关重要。

4.1 主要参数与指标

在评估和选择 UJA1169 或其他类似的 SBC 时，需要关注以下关键参数：

• CAN 接口类型： 支持经典 CAN、CAN FD 或两者兼有。

• 最大 CAN 波特率： 对于 CAN FD，需要关注仲裁段和数据段的最大波特率。

• 电源稳压器输出电压和电流： 通常会有多个 LDO 或 DC-DC 输出，需要根据微控制器和其他外设的供电需求进行匹配。例如，5V/300mA、3.3V/150mA 等。

• 低功耗模式电流： 在睡眠或待机模式下的典型电流消耗，这直接影响汽车电池寿命。

• 工作电压范围： UJA1169 通常支持宽泛的汽车电池电压范围（例如 6V 至 18V，瞬态可达 40V），以适应车辆电气系统的波动。

• 工作温度范围： 汽车级芯片通常需要支持 -40°C 至 +125°C 的宽温度范围。

• 封装类型： 如 HVQFN、SO 等，影响 PCB 尺寸和散热。

• 功能安全等级： 是否符合 ISO 26262 标准，以及能够支持的 ASIL 等级。

• 保护功能： 过压、欠压、过流、过温、短路保护等。

• 唤醒源： 支持的唤醒机制。

• 通信接口： 通常是 SPI，需要了解其速度和协议。

• 诊断功能： 可提供的故障诊断信息和机制。

4.2 UJA1169 的内部结构示意（概念性）

虽然具体的内部框图需要参考 NXP 的数据手册，但我们可以从概念上描绘 UJA1169 的典型内部结构：

+-----------------------------------------------------------------------+
|                         UJA1169 SBC Chip                              |
|                                                                       |
| +---------------------+   +---------------------+   +-----------------+
| | CAN FD Transceiver  |   | Power Management Unit |   | Watchdog Timer  |
| | (CANH, CANL pins)   |<->| (Vcc_out, Vio_out)  |<->| (WDI, RST_N pins)|
| +---------------------+   +---------------------+   +-----------------+
|          |         ^         |          ^         |          ^
|          |         |         |          |         |          |
|          v         |         v          |         v          |
| +---------------------+   +---------------------+   +-----------------+
| |     SPI Interface   |<->| Voltage Monitoring  |   |  Diagnosis &    |
| | (CS_N, SCK, MISO, MOSI) | | (Vbatt_mon)         |   |  Protection     |
| +---------------------+   +---------------------+   | (OTP, UVLO, OCP)|
|          |                                            +-----------------+
|          v
| +---------------------+
| |      Control Logic  |
| |      & Registers    |
| +---------------------+
|
|   (Various GPIOs, Wake-up pins, Error pins, etc.)
|
+-----------------------------------------------------------------------+

• CAN FD Transceiver： 负责 CAN 协议的物理层收发，连接到 CAN_H 和 CAN_L 引脚。

• Power Management Unit： 包含 DC-DC 或 LDO 稳压器，为微控制器和其他组件提供稳定的电源输出（如 Vcc_out, Vio_out）。

• Watchdog Timer： 接收来自微控制器的“喂狗”信号（WDI），并在超时时生成复位信号（RST_N）。

• SPI Interface： 用于微控制器与 UJA1169 之间的数据交换和配置。

• Voltage Monitoring： 监测电池电压和其他关键电压轨。

• Diagnosis & Protection： 集成各种保护电路和故障检测逻辑。

• Control Logic & Registers： 芯片内部的控制单元，管理所有模块的工作模式和状态。

4.3 软件驱动与开发

在使用 UJA1169 进行 ECU 开发时，除了硬件设计，软件驱动的开发也至关重要。

• 微控制器固件： 微控制器需要通过 SPI 接口与 UJA1169 进行通信，包括：

• 初始化 UJA1169： 配置其工作模式、CAN 模式、看门狗周期等。

• 看门狗喂狗： 定期向 UJA1169 发送喂狗信号。

• 电源模式管理： 控制 UJA1169 进入和退出低功耗模式。

• 故障处理： 读取 UJA1169 的故障状态，并根据故障类型进行相应的处理。

• CAN 驱动： 如果微控制器本身没有内置 CAN 控制器，或者需要通过 UJA1169 的 CAN 收发器直接控制，则需要相应的 CAN 驱动。

• NXP 提供的支持： 通常，像 NXP 这样的芯片供应商会提供详细的数据手册、应用笔记、参考设计以及软件库（HAL - Hardware Abstraction Layer），以帮助开发者更快速地集成和使用其产品。

4.4 设计注意事项

在将 UJA1169 集成到 ECU 设计中时，需要考虑以下几点：

• 电源完整性： 确保 UJA1169 的电源输入和输出都有足够的去耦电容，以抑制噪声并提供稳定的电源。

• 信号完整性： CAN 总线信号线（CAN_H, CAN_L）应进行差分走线，并保持等长，尽量远离噪声源，以减少共模干扰。终端电阻的放置也至关重要。

• 热管理： 即使 UJA1169 具有过温保护，在 PCB 布局时也应考虑其散热，尤其是在大电流负载或高温环境下。

• 电磁兼容性（EMC/EMI）： 汽车电子产品必须满足严格的 EMC/EMI 标准。UJA1169 本身经过优化以降低辐射，但在 PCB 布局时仍需注意地线、屏蔽和滤波。

• 功能安全： 如果是安全相关应用，需要仔细研究 UJA1169 的功能安全文档，并将其安全机制整合到整体系统安全设计中。

• 故障模式分析（FMEA）和安全分析： 对包含 UJA1169 的系统进行 FMEA 和安全分析，识别潜在的故障模式及其影响，并设计相应的缓解措施。

5. UJA1169 与汽车电子发展趋势

UJA1169 作为 CAN SBC，其设计和功能与当前以及未来的汽车电子发展趋势紧密相关。

5.1 高级驾驶辅助系统（ADAS）与自动驾驶

ADAS 和自动驾驶系统需要大量传感器数据（雷达、激光雷达、摄像头）的实时处理和传输。CAN FD 能够提供更高的数据速率和更大的数据负载，使其成为 ADAS 系统内部通信的重要组成部分。UJA1169 支持 CAN FD，能够满足未来 ADAS 对通信带宽的需求。同时，这些系统对功能安全的要求极高，UJA1169 内置的功能安全机制使其成为理想的选择。

5.2 软件定义汽车（SDV）与域控制器

随着汽车向软件定义的方向发展，传统的分散式 ECU 架构正在向集中式域控制器或区域控制器演进。这些新的控制器将集成更多功能，并需要更强大的通信能力和更复杂的电源管理。SBC 在这些集成式控制器中将继续发挥关键作用，提供集成的总线接口和电源管理解决方案。

5.3 新能源汽车（NEV）

新能源汽车（电动汽车和混合动力汽车）对电池管理系统（BMS）、电机控制器等关键部件的通信和功能安全要求更高。CAN 总线仍然是这些系统内部通信的骨干，而 UJA1169 这样的 SBC 可以为这些高压系统的辅助电子设备提供可靠的电源和通信接口。低功耗模式对于延长纯电动汽车的续航里程也至关重要。

5.4 网络安全

虽然 UJA1169 本身主要关注物理层和功能安全，但汽车网络安全的重要性日益凸显。未来的 SBC 可能会集成更多的硬件安全模块，例如安全启动、加密加速器等，以进一步增强汽车电子系统的安全性。

5.5 诊断与维护

现代汽车需要更复杂的诊断功能，以便快速识别和修复故障。UJA1169 提供的故障诊断信息对于车载诊断系统（OBD）和售后服务至关重要，有助于提高车辆的可维护性。

6. 总结与展望

UJA1169 作为 NXP 公司推出的 CAN 配套系统基础芯片，是现代汽车电子系统中不可或缺的关键组件。它凭借高度集成化、对 CAN FD 的支持、强大的电源管理功能、先进的看门狗定时器以及全面的故障诊断与保护机制，极大地简化了汽车 ECU 的设计，提高了系统的可靠性、鲁棒性和功能安全性。

随着汽车行业向更高级别的自动化、智能化和电动化发展，对车载通信、电源管理和功能安全的需求将持续增长。UJA1169 以及类似的 SBC 产品将继续演进，集成更多功能，提供更高的性能，并满足更严格的功能安全和网络安全要求。它们是实现未来“软件定义汽车”愿景的基石之一，将为汽车电子系统的创新和发展提供坚实的基础。

对于工程师而言，深入理解 UJA1169 及其背后的 CAN 总线技术、SBC 概念以及汽车电子的发展趋势，将有助于设计出更高效、更安全、更可靠的汽车电子控制单元，从而推动整个汽车行业的进步。