第三代CAN通訊技術(shù) CAN-XL

印寧華|Indining China|

2025-05-14 13:43:14 780

?CAN-XL（CAN Extended Length）?是一種最新的CAN總線通信技術(shù)，旨在解決傳統(tǒng)CAN總線在高速數(shù)據(jù)傳輸和長數(shù)據(jù)包處理方面的局限性。CAN-XL作為第三代CAN通信技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸速率和有效負(fù)載方面有了顯著提升。

技術(shù)特點(diǎn)

?高傳輸速率?：CAN-XL的數(shù)據(jù)段傳輸速率可達(dá)20Mbps，甚至有潛力達(dá)到30Mbps。
?大有效負(fù)載?：CAN-XL的數(shù)據(jù)字段長度最大可達(dá)2048字節(jié)，顯著超過了傳統(tǒng)CAN和CAN FD的容量。
?兼容性?：CAN-XL向下兼容CAN FD和經(jīng)典CAN，向上兼容以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文，確保了廣泛的適用性。
?物理層?：CAN-XL的物理層仍在開發(fā)中，采用了新的PWM編/解碼機(jī)制，支持高速數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用場景

?汽車行業(yè)?：由于其在高速數(shù)據(jù)傳輸和大容量數(shù)據(jù)包處理方面的優(yōu)勢，CAN-XL特別適用于汽車行業(yè)，能夠滿足現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)中復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信需求。
?工業(yè)控制?：在工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中，CAN-XL的高速率和大容量特性使其能夠更好地支持大規(guī)模設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

發(fā)展歷程和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

?初始提案?：2021年，CiA發(fā)布了CAN-XL的初始技術(shù)提案（CiA 610-1）。
?詳細(xì)規(guī)范制定和測試?：2022年至2023年，進(jìn)入詳細(xì)規(guī)范制定和測試階段，重點(diǎn)完善物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。
?預(yù)計(jì)發(fā)布時(shí)間?：預(yù)計(jì)在2024年完成標(biāo)準(zhǔn)化并正式發(fā)布。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)支持情況

主要推動(dòng)者包括芯片廠商如NXP和Infineon，工具廠商如Vector、Kvaser和PEAK，以及汽車制造商如大眾和寶馬，這些公司都在積極參與標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用測試，推動(dòng)CAN-XL在車載網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

CAN-XL 概述

經(jīng)典CAN于1986年推出。*代CAN通信技術(shù)取得了超過25年的成功。而且它仍然是車載網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)。 2012年，開始開發(fā)第二代CAN通信技術(shù)，即眾所周知的CAN FD，并在兩年后的法國巴黎第14屆iCC（international CAN Conference）上正式推出。2020年的第17屆國際CAN大會(huì)（iCC）上，第三代CAN通信技術(shù)CAN XL將啟動(dòng)。

CAN XL提供一個(gè)最大2048字節(jié)的數(shù)據(jù)字段（例如IP（Internet協(xié)議），甚至可以傳輸完整的以太網(wǎng)幀）。11位優(yōu)先級字段可由網(wǎng)絡(luò)層用于尋址和指示數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容。此外，CAN XL協(xié)議為使用的下一個(gè)更高協(xié)議提供8位指示符，其嵌入式層設(shè)置參數(shù)對于其他高層協(xié)議也很有幫助，以簡化多協(xié)議堆棧。 CAN XL幀通過兩個(gè)CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）進(jìn)行保護(hù)，其Hamming距離為6，這意味著可以檢測到五個(gè)隨機(jī)分布的比特錯(cuò)誤。

CAN XL是一種高度可擴(kuò)展的通信技術(shù)，涉及比特率和數(shù)據(jù)字段的長度。物理層仍在開發(fā)中。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高達(dá)10+ Mbit / s的比特率。 CAN XL針對面向區(qū)域的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。該方法以最優(yōu)的長度滿足未來車載網(wǎng)絡(luò)的要求。汽車工業(yè)試圖減少布線，以最小化重量，或者換句話說，是限制能耗。

CAN-XL與CAN-FD一樣具有兩個(gè)比特率相位。在仲裁階段，經(jīng)典CAN和CAN FD一樣，比特率被限制為1 Mbit / s；在數(shù)據(jù)階段，由于只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)正在傳輸，因此可以提高比特率。

CAN XL填補(bǔ)了CAN FD與100BASE-T1（以太網(wǎng)）之間的空白

CAN XL通過保持CAN協(xié)議的優(yōu)勢（例如無損仲裁的沖突解決），為高達(dá)10Mbit / s的數(shù)據(jù)速率提供了*的解決方案。填補(bǔ)了CAN FD與100BASE-T1（以太網(wǎng)）之間的空白。

市場對下一代總線CANXL的需求

在增加信息傳輸速率的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有CAN總線的各種優(yōu)勢也需要得到保留。
1.兼容性：向后兼容CANFD及HS-CAN
2.波特率：在數(shù)據(jù)段的傳輸速率最大可達(dá)10Mbps甚至20Mbps
3.有效負(fù)載長度：達(dá)到或超過以太網(wǎng)的幀長度

在2020年第17屆國際CAN大會(huì)上CiA協(xié)會(huì)(CAN in Automation)介紹了第三代CAN通信技術(shù)CAN XL (CAN Extra Long)。CANXL是一種高度可擴(kuò)展的通訊技術(shù)，其數(shù)據(jù)場長度提升至最高2048 byte。物理層仍在開發(fā)中，其目標(biāo)是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高達(dá)10Mbps甚至20Mbps的傳輸速率。

CANXL協(xié)議層

CANXL是對HSCAN和CANFD的進(jìn)一步擴(kuò)展，在很大程度上遵循相同的運(yùn)行原理，即報(bào)文仍分為仲裁段和數(shù)據(jù)段。仲裁段仍使用500kbps至1Mbps的低速率，但數(shù)據(jù)段的傳輸速率提升至最高20Mbps。CANXL通過位仲裁機(jī)制解決總線的訪問權(quán)限問題，遵循嚴(yán)格的優(yōu)先級判定，讓更重要的報(bào)文得到更短延遲的傳輸。

在CiA601-1規(guī)范中定義了CANXL協(xié)議。與以太網(wǎng)相似，CANXL定義了兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層子層：
1.Logical Link Control (LLC)：位于OSI網(wǎng)絡(luò)層和Media Access Control (MAC)子層中間的層。
2.Media Access Control (MAC)：負(fù)責(zé)將幀數(shù)據(jù)從LLC子層移動(dòng)到Physical Signaling Sub-layer (PLS)子層，并通過位填充(Stuff-bits)和CRC (Cyclic Redundancy Check)來保護(hù)幀數(shù)據(jù)的傳輸。

如下圖，新的LLC幀格式可支持三代CAN協(xié)議。

其中，F(xiàn)DF表示這幀報(bào)文是經(jīng)典CAN還是CANFD，F(xiàn)DF選擇了CANFD后，就可以額外選擇XLF段，進(jìn)一步表示這幀報(bào)文是CANXL。根據(jù)協(xié)議格式，CANXL有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1. 在HS-CAN和CANFD中，CAN-ID字段(11 位或29 位)用于仲裁和尋址目的。在CANXL中，這些函數(shù)是分開的。11位優(yōu)先級ID子字段(Priority ID)提供了CANXL數(shù)據(jù)幀的*優(yōu)先級分配，系統(tǒng)工程師需要為數(shù)據(jù)分配*的優(yōu)先級ID。
2. 32位接受字段AF (Acceptance Field)包含在CANXL控制器的64位硬件接受過濾器中，它可能包含節(jié)點(diǎn)地址或內(nèi)容指示信息，可以用于包含經(jīng)典CAN的高層協(xié)議。
3. 服務(wù)數(shù)據(jù)單元類型SDT (Service Data-unit Type)表示這個(gè)CANXL幀使用哪個(gè)高層協(xié)議，它是在ISO7498-4:1998中描述的嵌入式(OSI)層管理信息。可以使用以下類型的定義：
? 遺留的基于CAN的高層協(xié)議
? 以太網(wǎng)幀的隧道化
? 經(jīng)典CAN和CANFD幀的隧道化
? TCP/IP段
? CANopen / CANopenFD
? J1939-21/22消息
? 生產(chǎn)商自定義協(xié)議等

4. 虛擬CANID (Virtual CAN network ID)字段允許運(yùn)行多達(dá)256個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)單一的CANXL網(wǎng)絡(luò)段。這允許實(shí)現(xiàn)由服務(wù)數(shù)據(jù)單元類型確定的多個(gè)同構(gòu)邏輯網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)字段可以說是一個(gè)嵌入的(OSI)層管理信息，如ISO7498-4:1998所述。

5. 數(shù)據(jù)長度編碼DLC (Data Length Code)在CANXL中增加到11位，支持最高2048字節(jié)的數(shù)據(jù)長度。
6. 數(shù)據(jù)鏈路層安全指示SEC (DLL Security Indication)是一個(gè)新的位，表示在數(shù)據(jù)鏈路層使用了額外的數(shù)據(jù)安全協(xié)議。

CANXL物理層

CANXL數(shù)據(jù)幀以兩個(gè)不同的比特速率傳輸，類似于CANFD數(shù)據(jù)幀的傳輸。低速傳輸遵循經(jīng)典CAN仲裁的規(guī)則，而數(shù)據(jù)段則使用高比特率傳輸。

1.在仲裁階段，最大傳輸速率是1Mbps。所選的速率決定網(wǎng)絡(luò)長度，速率越高，允許的網(wǎng)絡(luò)長度越短。
2.在數(shù)據(jù)階段，最大傳輸速率不受網(wǎng)絡(luò)長度的限制。它可以是10Mbps甚至更高，這取決于收發(fā)器的能力和所選的其他物理層組件，例如電纜、連接器、保護(hù)電路等。

CANXL網(wǎng)絡(luò)可以使用符合ISO11898-2:2016的任何類型的收發(fā)器，或者CiA601-4中規(guī)定的CANFD SIC信號改善收發(fā)器。對于10Mbps以上更高的傳輸速率，將定義在CiA610系列中新的CANXL-SIC收發(fā)器可以勝任。

CANXL controller (TC4) 搭配CANXL SIC transceiver作為CANXL技術(shù)的最終標(biāo)準(zhǔn)方案，硬件上要求CAN收發(fā)器支持SIC mode和FAST mode的模式轉(zhuǎn)換功能，即支持顯性/隱性和level_0/level_1兩種總線驅(qū)動(dòng)方式以達(dá)到最高20Mbps的傳輸速率。應(yīng)用場景上，該方案可滿足CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛⑶铱梢詮浹a(bǔ)CAN與Ethernet之間的速率差距，同時(shí)也給CAN與Ethernet之間的數(shù)據(jù)交互帶來更大的便捷性。

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