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下一代CAN通信技术CAN XL简介

2023-05-16

众所周知，CAN网络具有易于实现、可扩展、并支持复杂拓扑结构等诸多优点，所以目前在各个行业特别是汽车领域，得到了非常广泛的应用。但是，它也存在着诸多问题，其中最大的一点就是总线带宽和数据场长度太低，导致承载能力非常有限。为此，CiA（CAN-in-Automation，国际用户与制造商联合组织）推出了CAN FD（CAN with Flexible Data rate）。CAN FD继承了CAN总线的主要特性，但是弥补了CAN总线带宽和数据场长度的制约，CAN FD总线与CAN总线的区别主要在以下两个方面：

  • 可变速率：CAN FD采用了两种位速率：从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，其余部分为原CAN总线用的速率。两种速率各有一套位时间定义寄存器，它们除了采用不同的位时间单位TQ外，位时间各段的分配比例也可不同。

  • 新的数据场长度：CAN FD对数据场的长度作了很大的扩充，DLC最大支持64个字节，在DLC小于等于8时与原CAN总线是一样的，大于8时有一个非线性的增长，所以最大的数据场长度可达64字节。

CAN FD引入了更快的比特率，在数据阶段可设置为高达5 Mbit/s，但其后果是由于信号振铃而受到严格的拓扑结构限制。这就使CAN FD局限于线性网络，限制了设计的自由度，增加了布线和系统成本。所以，在2020年的第17届国际CAN大会（iCC）上，CiA又推出了第三代CAN通信技术CAN XL。

一、什么是CAN XL

CAN XL是一种高度可扩展的通信技术，涉及比特率和数据字段的长度。物理层仍在开发中。目标是实现高达10+ Mbit / s的比特率。 CAN XL针对面向区域的异构网络体系结构进行了优化。该方法以最优的长度满足未来车载网络的要求。汽车工业试图减少布线，以最小化重量，或者换句话说，是限制能耗。它的几个核心期望特性如下：

  • 有效负载长度：与以太网帧长度一样；
  • 可靠性：等于或者优于CAN，CAN FD和10Mbit/s以太网的稳定性；
  • 鲁棒性：与CAN FD一样好，甚至要优于10Mbit/s以太网；
  • 波特率：在数据段的传输速率最大可达10Mbit/s；
  • 兼容性：向后兼容CAN FD。

CAN XL是对CAN和CAN FD的进一步扩展，并且在很大程度上遵循相同的运行原理。CAN报文分为仲裁场和数据场。尽管CAN XL在仲裁场使用500kbit/s至1Mbit/s的低速率，但数据场的传输速率却可提升至2Mbit/s至10Mbit/s。相对于CAN FD的可选速率切换功能，CAN XL强制执行速率切换。

此外，总线访问仍旧采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突解决方案），通过位仲裁解决总线访问权限问题。CAN XL遵循严格的优先级概念，允许更重要的消息无延迟地传输。CAN XL仅支持11位标识符ID，不再使用29位标识符ID。CAN XL凭借用于报头和帧以及格式检查的汉明距离6算法，确保数据传输的高可靠性，实际上胜过FlexRay和以太网的CRC功能。

然而，对于未来的应用而言重要的不仅仅是提高数据传输速率。CAN XL主要功能之一是数据场支持1~2048Byte的可变长度。在必要时，可将以太网帧打包为CAN XL消息，直接或间接通过CAN XL使用IP通信技术。

CAN XL传承自经典的CAN和CAN FD，并缩小了CAN/CAN FD与Ethernet之间的传输速度和耦合的差距。在合适的应用领域中，CAN XL可以采用更小巧更便宜的控制器。利用高达2048Byte的有效数据长度，CAN XL为将来传输以太网帧和利用IP通信提供所需的功能。在不久的将来，这意味着CAN XL和10base-T1S可以共同在基于信号的通信和面向服务的通信之间提供连接。通过对协议层进行适当的扩展，将为应用提供更丰富的可能性。

在这里插入图片描述

二、CAN XL Vs CAN FD

不少同学会问，那么CAN XL与CAN FD究竟差在什么地方呢？下面就进行详细的对比。

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与CAN FD相比，CAN XL增加了位的数量；
这些附加位位于报文头与报文末尾处；
大多数的所需位是CRC，必须增加它才能保护超出的更多的字节。

1、报头部分

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上图中顶部的黑线表示隐性，底部的黑线表示显性。那么我们分析上图可得出以下结论：

  • SOF和11位的CAN ID场在CAN、CAN FD、CAN XL中是通用的； CAN FD和CAN XL始终不支持RTR远程请求；
  • CAN XL不支持IDE标识符扩展（29位CAN ID），该位始终处于显性；
  • 隐性FDF位指示CAN FD，隐性FDF、XLF位指示CAN XL；
  • CAN FD中res位始终处于显性，隐性BRS位（波特率切换）会提升传输速率；
  • CAN FD中ESI位通常处于显性，但处于被动错误时会变为隐性；
  • CAN XL中resXL位是隐性的，可用于将来的扩展；
  • CAN XL中AL1、DH1和DL1作为新的波特率切换序列； CAN XL中Payload 8-bit用于不同数据包的预定义多路复用位；
  • CAN XL中DLC是一个11位整数，其中数据字节数是该整数加1；
  • CAN XL中Header-CRC用于保证DLC正确，DLC定义数据CRC从何处开始。

2、报尾部分

在这里插入图片描述

  • 对于相同的数据长度，CAN XL中较长的报头可能需要较长的CRC；
  • CAN XL包含用于波特率切换位，确保向前的兼容性；
  • CAN XL CRC之后是波特率的切换模式，而不是CRC定界符；
  • 为了确保重新同步到未来格式的帧末尾，集成格式：将CAN XL中放置NACK添加到旧ACK中。

CAN XL每个CAN帧中有更多的数据：1-2048字节，并且在数据部分增加了波特率，具有更好的故障保护措施，可为下一代CAN做更好的准备。

三、Q&A时间

1、CAN XL现在有对应的收发器和控制器么？

答：目前因为CAN XL的标准还没有正式出来，CAN XL的收发器和控制器估计会在2到3年内推出

2、CAN XL传输还是用普通的双绞线么？一条总线上可以和CAN，CANFd节点共存么？

答：关于传输的线缆，目前CiA还在进一步确认中，因为线缆其实也是非常重要的一环，会采取更谨慎和有保证的方案。

关于CAN 和CAN FD与CAN XL的节点共存问题，其实三者理论上都可以在同一个网络中，不过前提是都要支持新的MICI接口规定，即medium-independent CAN interface，介质无关CAN接口。

未完待续，敬请关注！

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