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CAN vs LIN vs Ethernet automobile : débit, câblage, usages

Dans une automobile, plusieurs réseaux coexistent selon le débit nécessaire et le coût. Le LIN est un réseau bon marché à un seul fil de signal, limité à environ 20 kbit/s, qui relie les éléments de carrosserie comme les interrupteurs et les moteurs. Le CAN utilise un signal différentiel sur deux fils, permet aux calculateurs (ECU) de communiquer avec des priorités et sert de réseau fiable jusqu’à 1 Mbit/s (quelques Mbit/s dans la phase de données en CAN FD) pour le contrôle du moteur, des freins, etc. L’Ethernet automobile transmet 100 Mbit/s ou plus sur une seule paire torsadée et prend en charge les gros volumes de données, comme ceux des caméras, et la dorsale reliant les ECU.

CritèreLINCANEthernet automobile
Débit maximal (ordre de grandeur)Environ 20 kbit/sCAN classique jusqu’à 1 Mbit/s (500 kbit/s souvent utilisé en pratique). CAN FD : quelques Mbit/s dans la phase de données100 Mbit/s (100BASE-T1), 1 Gbit/s (1000BASE-T1). Des normes plus rapides existent aussi
CâblageUn fil de signal et la masseSignal différentiel sur deux fils torsadés (CAN_H et CAN_L). Résistances de terminaison de 120 Ω aux deux extrémitésFull-duplex sur une seule paire torsadée
Organisation des nœudsUn maître et plusieurs esclavesBus multimaître où tous les nœuds sont égauxÉtoile ou arbre de liaisons point à point autour de commutateurs (il existe aussi une norme en bus à 10 Mbit/s)
Détermination de l’ordre d’émissionLe maître émet selon un planning ; les esclaves répondent aux sollicitations du maîtreArbitrage par ID. Plus l’ID est petit, plus la priorité est haute ; la trame gagnante n’est pas altéréeLes commutateurs acheminent les trames. Pour les flux qui doivent arriver dans un délai garanti, le TSN gère le temps et la bande passante
Données par message8 octets au maximumCAN classique : 8 octets au maximum ; CAN FD : 64 octets au maximumEnviron 1 500 octets au maximum par trame
Détection d’erreursSomme de contrôleCRC, acquittement de réception (ACK), mise hors bus des nœuds selon leurs compteurs d’erreursCRC. Les protocoles de couche supérieure assurent la retransmission, etc.
Coût par nœudLe plus bas. Les esclaves peuvent fonctionner sans quartzMoyen. De nombreux microcontrôleurs automobiles intègrent le contrôleurPlus élevé. Il faut des PHY et des commutateurs, mais le coût par bit est faible
Usages principauxCarrosserie : lève-vitres électriques, rétroviseurs, sièges, interrupteurs, essuie-glaces, capteurs de pluieContrôle : moteur, transmission, freins, direction, liaisons entre ECU de carrosserie, diagnosticDonnées des caméras et des radars, infodivertissement, dorsale reliant les ECU, mises à jour logicielles

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

LIN
Pour relier à un ECU proche des interrupteurs, moteurs et capteurs qui n’ont pas besoin de débit et pour lesquels le faible coût prime. Utilisé comme sous-réseau du CAN.
CAN
Pour échanger de façon fiable des données de contrôle selon leur priorité, lorsque de nombreux ECU doivent être reliés par un seul bus et qu’une communication robuste au bruit est nécessaire. Quand le volume de données augmente, on passe au CAN FD.
Ethernet automobile
Lorsqu’une bande passante de 100 Mbit/s ou plus est nécessaire : gros volumes de données des caméras et des capteurs, mises à jour logicielles, dorsale reliant l’ordinateur central aux ECU de zone dans une architecture zonale.

Questions fréquentes

Que se passe-t-il en CAN si deux nœuds commencent à émettre en même temps ?

Tout en émettant les bits de l’ID, ils surveillent l’état du bus, et seul le nœud qui émet la trame la plus prioritaire (la plus petite valeur d’ID) continue d’émettre. Le nœud perdant cesse d’émettre et réessaie plus tard, si bien que la trame gagnante arrive intacte. C’est ce qu’on appelle l’arbitrage non destructif.

Pourquoi le LIN est-il bon marché ?

Un seul fil de signal suffit et c’est le maître qui fixe le cadencement des échanges, si bien que les circuits des esclaves sont simples. Les esclaves synchronisent leur horloge sur le signal de synchronisation envoyé par le maître, ce qui leur permet de fonctionner avec un oscillateur sans quartz.

En quoi l’Ethernet automobile diffère-t-il de l’Ethernet ordinaire des bureaux ?

Il communique en full-duplex sur une seule paire torsadée, ce qui allège le câblage et en réduit le coût. Il est en outre conçu pour supporter les fortes perturbations et la large plage de températures d’un véhicule, et, pour les flux qui doivent arriver dans un délai garanti, les normes TSN gèrent le temps et la bande passante.

Le CAN et le LIN vont-ils disparaître avec l’essor de l’Ethernet automobile ?

Pas à court terme. L’Ethernet sert aux dorsales rapides et aux caméras, mais pour les communications de faible volume où la fiabilité compte, comme les interrupteurs, les moteurs et les données de contrôle, le CAN et le LIN, bon marché et éprouvés, continueront d’être utilisés.

Vérifier vos connaissances

Quelle caractéristique du réseau automobile LIN est correcte ?

  1. AUn mode rapide communiquant jusqu'à 10 Mbit/s sur deux lignes de signal différentielles, utilisé pour des commandes critiques pour la sécurité comme le freinage et la direction
  2. BUn mode communiquant à 1 Gbit/s sur une seule paire torsadée, utilisé pour la transmission des images de caméra et des données d'affichage
  3. CUn mode lent (jusqu'à environ 20 kbit/s) et peu coûteux reliant un maître et plusieurs esclaves sur une seule ligne de signal, utilisé notamment pour commander les lève-vitres électriques et les rétroviseurs
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Réponse : C. Un mode lent (jusqu'à environ 20 kbit/s) et peu coûteux reliant un maître et plusieurs esclaves sur une seule ligne de signal, utilisé notamment pour commander les lève-vitres électriques et les rétroviseurs

Le LIN (Local Interconnect Network) utilise une seule ligne de signal et fait émettre les esclaves dans l'ordre fixé par le maître ; il est lent, avec un maximum d'environ 20 kbit/s. Il peut être réalisé avec un circuit de communication simple, proche d'un UART, et les esclaves peuvent se synchroniser sans oscillateur de haute précision, d'où son faible coût. Il relie, en tant que sous-réseau du CAN, les éléments qui n'ont pas besoin de rapidité, comme les lève-vitres électriques, les rétroviseurs, les sièges et les commutateurs. Le mode à 10 Mbit/s correspond à FlexRay, et celui à 1 Gbit/s à l'Ethernet automobile.

Sur un bus CAN, que se passe-t-il lorsque deux nœuds commencent à émettre une trame en même temps ?

  1. ALes deux trames entrent en collision et sont toutes deux corrompues ; les deux nœuds attendent un temps aléatoire avant de réémettre
  2. BLa trame dont l'ID a la valeur la plus petite (priorité la plus élevée) continue d'être émise, et le nœud perdant cesse d'émettre et réémet plus tard ; la trame gagnante n'est donc pas corrompue
  3. CLa trame dont l'ID a la valeur la plus grande est prioritaire, et la trame dont l'ID a la valeur la plus petite est rejetée sans être réémise
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Réponse : B. La trame dont l'ID a la valeur la plus petite (priorité la plus élevée) continue d'être émise, et le nœud perdant cesse d'émettre et réémet plus tard ; la trame gagnante n'est donc pas corrompue

Sur un bus CAN, lorsqu'un 0 (dominant) et un 1 (récessif) sont émis simultanément, le 0 l'emporte. Un nœud en cours d'émission compare bit par bit le bit qu'il émet avec l'état du bus ; s'il voit un 0 alors qu'il a émis un 1, il considère avoir perdu l'arbitrage et cesse d'émettre. Comme l'ID est émis en premier, plus sa valeur est petite, plus la priorité est élevée, et la trame gagnante arrive telle quelle sans être corrompue. C'est ce qu'on appelle l'arbitrage non destructif. Attendre un temps aléatoire après une collision est la méthode CSMA/CD de l'ancien Ethernet.

Sur un bus CAN muni d'une résistance de terminaison de 120 Ω à chaque extrémité, on a mesuré, hors tension, la résistance entre CAN_H et CAN_L. Quelle valeur est la plus proche de celle d'un bus normal ?

  1. A120 Ω
  2. B240 Ω
  3. C60 Ω
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Réponse : C. 60 Ω

Un bus CAN est muni d'une résistance de terminaison de 120 Ω à chacune de ses extrémités pour éviter les réflexions du signal. Vues depuis CAN_H et CAN_L, les deux résistances de 120 Ω sont en parallèle, ce qui donne 120 × 120 / (120 + 120) = 60 Ω. Si l'on mesure 120 Ω, on soupçonne une erreur de câblage comme l'absence de l'une des terminaisons ; si l'on mesure environ 40 Ω, la présence de trois terminaisons, par exemple. 240 Ω résulte de l'erreur consistant à considérer les deux résistances en série.

  1. Quelle caractéristique du CAN FD est correcte ?
  2. Quelle caractéristique de l'Ethernet automobile (100BASE-T1, 1000BASE-T1, etc.) est correcte ?
  3. Quelle description de la migration vers l'« architecture zonale », en cours dans les systèmes électroniques automobiles, est correcte ?

Questions d'entraînement sur Semi-conducteurs automobiles et sécurité fonctionnelle

Termes clés expliqués

Bus CAN
Abréviation de Controller Area Network, réseau embarqué qui relie les ECU par signalisation différentielle sur deux fils. Les valeurs d'ID les plus faibles ont la priorité la plus haute, et lorsque des nœuds commencent à émettre simultanément, un arbitrage non destructif laisse une seule trame intacte. Le CAN classique fonctionne jusqu'à 1 Mbit/s, tandis que le CAN FD accélère la phase de données jusqu'à plusieurs Mbit/s.
ECU (unité de commande électronique)
Calculateur embarqué construit autour d'un microcontrôleur, qui commande le moteur, les freins, les portes, etc. Les ECU se sont multipliées à chaque nouvelle fonction, dépassant parfois 100 par voiture, et sont désormais regroupées grâce aux architectures zonales et à des approches similaires.
Architecture zonale
Organisation de l'électronique du véhicule dans laquelle des ECU de zone placées dans chaque partie de la voiture relient les capteurs et actionneurs proches, tandis que le traitement de commande est concentré dans un ordinateur central haute performance. Elle permet un faisceau de câblage plus court et plus léger que l'approche traditionnelle d'une ECU par fonction.
Signal différentiel
Méthode qui transmet des signaux opposés sur deux fils et représente 0 et 1 par la différence de tension. Le bruit capté de la même manière par les deux fils s'annule, ce qui permet une transmission rapide avec une faible amplitude.

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