TECHNIQUES FOR IMPROVING DATA-RATE AND SIGNAL INTEGRITY IN HIGH-SPEED CAN BUS TRANSCEIVERS

This thesis presents the study, the behavioural modelling and the design of Controller Area Network receivers with implementation of ringing suppression and multi-bit communication. The overall activity was carried out under the supervision of Prof. Piero Malcovati for the Sensors and Microsystems Laboratory of the University of Pavia. The Controller Area Network (CAN) is conceived as a communication network among the different control units in vehicles. The automotive industry has been extensively using the CAN protocol since its first introduction in the 1980s for the distributed automotive applications. This protocol has become the foundation of many cost-effective distributed systems and has been a constant subject of research since its inception. Nowadays, CAN applications are gaining importance and it has been extending to several industrial automation such as marine and aircrafts electronics, cars, trucks and others. The fast serial bus that underpins the Controller Area Network is intended to provide a dependable, efficient, and cost-effective connection between sensors and actuators. However, the wired-AND nature of the physical layer that is responsible for managing message arbitration can be a significant drawback that restricts the use of CAN in data intensive real-time applications. This limitation has the side effect of significantly reducing the maximum transmission speed and bus length of a network. The Controller Area Network uses a twisted-pair cable to achieve communication speeds of up to 5 Mbits/sec. Initially, CAN was created to make the wiring easier in automobiles. In the past, automobile manufacturers had to use a point-to-point wiring system to connect devices in vehicles. However, as more electronics and controllers were used to monitor and control vehicles, wiring became increasingly complex, heavy, and expensive. To address these challenges, the automotive industry began using dedicated CAN links to provide a low-cost, robust network, and multi-master communication system that significantly reduces the complexity of wires. CAN is a message-based transmission protocol that specifies message contents instead of nodes and node addresses. Each message has a unique message identifier that is specific to the entire network, and it defines both the content of the message and its priority. Due to its large installed base of CAN nodes with low failure rates over the last two decades, CAN has been used in critical applications such as the Anti-locking Brake Systems (ABS). Despite its success, CAN designers have expressed a desire to improve the speed, distance coverage, determinism, and reliability of CAN. As a result, several protocols based on CAN have been introduced over the years, leveraging some of CAN's properties while attempting to address some of its known limitations. CAN signal improvement also The feasibility of using CAN FD has been significantly expanded, and 5 Mbit/s is now a viable option for car manufacturers to consider for future technology choices. As vehicle network architectures undergo significant changes in the next generation of vehicles, CAN FD remains a highly relevant and meaningful technology to consider, owing to its proven reliability and cost-effectiveness. Although it is theoretically possible to improve signals beyond 5 Mbit/s, bringing an acceleration to the fast phase to higher bit rates has diminishing returns since the arbitration phase has no changes. Therefore, there is a connection between signal improvement technology and CAN XL, whose goal is to increase throughput and remove limitations in CAN FD to enable more physical layer improvements of the signals. The rapid computerization of car control systems has resulted in a progressive increase in the number of electronic control units (ECUs) each year.

Questa tesi presenta lo studio, la modellizazione comportamentale e la progettazione di ricevitori Controller Area Network con implementazione della soppressione del ringing e della comunicazione multi-bit. L'attività complessiva è stata svolta sotto la supervisione del Prof. Piero Malcovati per il Laboratorio di Sensori e Microsistemi dell'Università di Pavia. Il Controller Area Network (CAN) è inteso come rete di comunicazione tra le centraline dei veicoli. Il protocollo CAN è stato originariamente introdotto per le applicazioni automobilistiche distribuite negli anni '80 ed è oggi ampiamente utilizzato dall'industria. Il CAN fornisce la base per molti sistemi distribuiti convenienti e sin dal suo primo inizio si è rivelato un'area di ricerca continua. Al giorno d'oggi, le applicazioni CAN stanno guadagnando terreno e si stanno estendendo all'automazione industriale, inclusa l'elettronica marina e aeronautica, fabbriche, automobili, camion e molti altri. Il Core del Controller Area Network è un bus seriale veloce progettato per fornire un collegamento affidabile, efficiente e molto economico tra sensori e attuatori. Uno dei principali inconvenienti che può limitare gravemente l'applicabilità del CAN nelle applicazioni in tempo reale ad alta intensità di dati è legato alla natura cablata del livello fisico utilizzato per gestire l'arbitrato dei messaggi; un effetto collaterale di ciò è che agisce per limitare fortemente sia la velocità massima di trasmissione che la lunghezza del bus di una determinata rete. CAN utilizza un cavo a doppino intrecciato per comunicare a velocità fino a 5 Mbit/sec. utilizzato per collegare i dispositivi nei veicoli utilizzando sistemi di cablaggio punto a punto. Con l'impiego di più elettronica e controller per monitorare e controllare i veicoli, il cablaggio ha iniziato a diventare più complesso, ingombrante, pesante e costoso. L'industria automobilistica inizia a ridurre l'enorme complessità dei cavi con un collegamento CAN dedicato che fornisce una rete robusta e a basso costo e un sistema di comunicazione multi-master. Il CAN è un protocollo di trasmissione orientato ai messaggi, definisce il contenuto del messaggio anziché i nodi e gli indirizzi dei nodi. Ogni messaggio ha un identificatore di messaggio associato, che è univoco all'interno dell'intera rete, definendo sia il contenuto che la priorità del messaggio. L'ampia base installata di nodi CAN con bassi tassi di guasto per quasi due decenni, ha portato all'uso del CAN in alcune applicazioni critiche 8 come i sistemi antibloccaggio dei freni (ABS) e il programma elettronico di stabilità (ESP) nelle automobili. Nonostante la sua storia di successo, i progettisti CAN desiderano poter rendere la CAN più veloce, in grado di coprire distanze maggiori, essere più deterministici e più affidabili. Nel corso degli anni sono stati presentati diversi protocolli basati sul CAN, sfruttando alcune proprietà CAN e cercando di migliorare alcune note limitazioni del CAN. Il miglioramento del segnale CAN estende anche realmente ciò che è fattibile con CAN FD e 5 Mbit/s è una realtà che i produttori di automobili devono considerare nelle loro future scelte tecnologiche. Con le architetture di rete dei veicoli che subiscono importanti cambiamenti nella prossima generazione di veicoli, ciò rende CAN FD una tecnologia molto rilevante e significativa da considerare, data la sua comprovata affidabilità e costo. Sebbene il miglioramento del segnale possa teoricamente andare ben oltre i 5 Mbit/s, l'accelerazione della fase veloce a bit rate ancora più elevati comporta rendimenti decrescenti, dato che la fase di arbitraggio rimane invariata. Di recente, la rapida informatizzazione del sistema di controllo dell'auto ha portato di anno in anno un numero crescente di centraline elettroniche (ECU).