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第三代CAN通訊技術 CAN-XL

印寧華|Indining China|

2025-05-14 13:43:14 807

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

技術特點

?高傳輸速率?：CAN-XL的數據段傳輸速率可達20Mbps，甚至有潛力達到30Mbps。
?大有效負載?：CAN-XL的數據字段長度最大可達2048字節，顯著超過了傳統CAN和CAN FD的容量。
?兼容性?：CAN-XL向下兼容CAN FD和經典CAN，向上兼容以太網數據報文，確保了廣泛的適用性。
?物理層?：CAN-XL的物理層仍在開發中，采用了新的PWM編/解碼機制，支持高速數據傳輸。

應用場景

?汽車行業?：由于其在高速數據傳輸和大容量數據包處理方面的優勢，CAN-XL特別適用于汽車行業，能夠滿足現代汽車電子系統中復雜的數據通信需求。
?工業控制?：在工業自動化和控制系統中，CAN-XL的高速率和大容量特性使其能夠更好地支持大規模設備和傳感器網絡的實時數據交換。

發展歷程和標準化進程

?初始提案?：2021年，CiA發布了CAN-XL的初始技術提案（CiA 610-1）。
?詳細規范制定和測試?：2022年至2023年，進入詳細規范制定和測試階段，重點完善物理層和數據鏈路層協議。
?預計發布時間?：預計在2024年完成標準化并正式發布。

行業標準支持情況

主要推動者包括芯片廠商如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準驗證和實際應用測試，推動CAN-XL在車載網絡中的應用。

CAN-XL 概述

經典CAN于1986年推出。*代CAN通信技術取得了超過25年的成功。而且它仍然是車載網絡中的主導。 2012年，開始開發第二代CAN通信技術，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（iCC）上，第三代CAN通信技術CAN XL將啟動。

CAN XL提供一個最大2048字節的數據字段（例如IP（Internet協議），甚至可以傳輸完整的以太網幀）。11位優先級字段可由網絡層用于尋址和指示數據字段的內容。此外，CAN XL協議為使用的下一個更高協議提供8位指示符，其嵌入式層設置參數對于其他高層協議也很有幫助，以簡化多協議堆棧。 CAN XL幀通過兩個CRC（循環冗余校驗）進行保護，其Hamming距離為6，這意味著可以檢測到五個隨機分布的比特錯誤。

CAN XL是一種高度可擴展的通信技術，涉及比特率和數據字段的長度。物理層仍在開發中。目標是實現高達10+ Mbit / s的比特率。 CAN XL針對面向區域的異構網絡體系結構進行了優化。該方法以最優的長度滿足未來車載網絡的要求。汽車工業試圖減少布線，以最小化重量，或者換句話說，是限制能耗。

CAN-XL與CAN-FD一樣具有兩個比特率相位。在仲裁階段，經典CAN和CAN FD一樣，比特率被限制為1 Mbit / s；在數據階段，由于只有一個節點正在傳輸，因此可以提高比特率。

CAN XL填補了CAN FD與100BASE-T1（以太網）之間的空白

CAN XL通過保持CAN協議的優勢（例如無損仲裁的沖突解決），為高達10Mbit / s的數據速率提供了*的解決方案。填補了CAN FD與100BASE-T1（以太網）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上，現有CAN總線的各種優勢也需要得到保留。
1.兼容性：向后兼容CANFD及HS-CAN
2.波特率：在數據段的傳輸速率最大可達10Mbps甚至20Mbps
3.有效負載長度：達到或超過以太網的幀長度

在2020年第17屆國際CAN大會上CiA協會(CAN in Automation)介紹了第三代CAN通信技術CAN XL (CAN Extra Long)。CANXL是一種高度可擴展的通訊技術，其數據場長度提升至最高2048 byte。物理層仍在開發中，其目標是進一步實現高達10Mbps甚至20Mbps的傳輸速率。

CANXL協議層

CANXL是對HSCAN和CANFD的進一步擴展，在很大程度上遵循相同的運行原理，即報文仍分為仲裁段和數據段。仲裁段仍使用500kbps至1Mbps的低速率，但數據段的傳輸速率提升至最高20Mbps。CANXL通過位仲裁機制解決總線的訪問權限問題，遵循嚴格的優先級判定，讓更重要的報文得到更短延遲的傳輸。

在CiA601-1規范中定義了CANXL協議。與以太網相似，CANXL定義了兩個數據鏈路層子層：
1.Logical Link Control (LLC)：位于OSI網絡層和Media Access Control (MAC)子層中間的層。
2.Media Access Control (MAC)：負責將幀數據從LLC子層移動到Physical Signaling Sub-layer (PLS)子層，并通過位填充(Stuff-bits)和CRC (Cyclic Redundancy Check)來保護幀數據的傳輸。

如下圖，新的LLC幀格式可支持三代CAN協議。

其中，FDF表示這幀報文是經典CAN還是CANFD，FDF選擇了CANFD后，就可以額外選擇XLF段，進一步表示這幀報文是CANXL。根據協議格式，CANXL有如下幾個特點：

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，這些函數是分開的。11位優先級ID子字段(Priority ID)提供了CANXL數據幀的*優先級分配，系統工程師需要為數據分配*的優先級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，它可能包含節點地址或內容指示信息，可以用于包含經典CAN的高層協議。
3. 服務數據單元類型SDT (Service Data-unit Type)表示這個CANXL幀使用哪個高層協議，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的高層協議
? 以太網幀的隧道化
? 經典CAN和CANFD幀的隧道化
? TCP/IP段
? CANopen / CANopenFD
? J1939-21/22消息
? 生產商自定義協議等

4. 虛擬CANID (Virtual CAN network ID)字段允許運行多達256個邏輯網絡在一個單一的CANXL網絡段。這允許實現由服務數據單元類型確定的多個同構邏輯網絡，這個字段可以說是一個嵌入的(OSI)層管理信息，如ISO7498-4:1998所述。

5. 數據長度編碼DLC (Data Length Code)在CANXL中增加到11位，支持最高2048字節的數據長度。
6. 數據鏈路層安全指示SEC (DLL Security Indication)是一個新的位，表示在數據鏈路層使用了額外的數據安全協議。

CANXL物理層

CANXL數據幀以兩個不同的比特速率傳輸，類似于CANFD數據幀的傳輸。低速傳輸遵循經典CAN仲裁的規則，而數據段則使用高比特率傳輸。

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

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

CANXL controller (TC4) 搭配CANXL SIC transceiver作為CANXL技術的最終標準方案，硬件上要求CAN收發器支持SIC mode和FAST mode的模式轉換功能，即支持顯性/隱性和level_0/level_1兩種總線驅動方式以達到最高20Mbps的傳輸速率。應用場景上，該方案可滿足CAN網絡節點大數據傳輸的需求并且可以彌補CAN與Ethernet之間的速率差距，同時也給CAN與Ethernet之間的數據交互帶來更大的便捷性。

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