下一代CAN通讯技术——CANXL简介

概述

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CAN总线(Controller Area Network)是上世纪80年代开发的一种串行通讯总线。由于其高性能、易用性及高可靠性而被广泛应用于汽车、工业控制等行业。但随着汽车电子、工业自动化的蓬勃发展，总线上的设备数量、通讯数据量都大大增加，使得传统HS-CAN (High Speed CAN)的500kbps(最高1Mbps)传输速率受到了极大的挑战。

在上一期，我们介绍了为应对这种挑战而开发的CANFD总线，以及为了应对振铃问题，英飞凌发布的CANFD SIC信号增强收发器TLE9371系列。本期我们将展望未来，探讨下一代CAN总线的趋势。

市场对下一代总线CANXL的需求

在增加信息传输速率的基础上，现有CAN总线的各种优势也需要得到保留。

• 兼容性：向后兼容CANFD及HS-CAN

• 波特率：在数据段的传输速率最大可达10Mbps甚至20Mbps

• 有效负载长度：达到或超过以太网的帧长度

在2020年第17届国际CAN大会上CiA协会(CAN in Automation)介绍了第三代CAN通信技术CAN XL (CAN Extra Long)。CANXL是一种高度可扩展的通讯技术，其数据场长度提升至最高2048 byte。物理层仍在开发中，其目标是进一步实现高达10Mbps甚至20Mbps的传输速率。

CANXL协议层

CANXL是对HSCAN和CANFD的进一步扩展，在很大程度上遵循相同的运行原理，即报文仍分为仲裁段和数据段。仲裁段仍使用500kbps至1Mbps的低速率，但数据段的传输速率提升至最高20Mbps。CANXL通过位仲裁机制解决总线的访问权限问题，遵循严格的优先级判定，让更重要的报文得到更短延迟的传输。

在CiA601-1规范中定义了CANXL协议。与以太网相似，CANXL定义了两个数据链路层子层：

• Logical Link Control (LLC)：位于OSI网络层和Media Access Control (MAC)子层中间的层。

• Media Access Control (MAC)：负责将帧数据从LLC子层移动到Physical Signaling Sub-layer (PLS)子层，并通过位填充(Stuff-bits)和CRC (Cyclic Redundancy Check)来保护帧数据的传输。

如下图，新的LLC帧格式可支持三代CAN协议。

其中，FDF表示这帧报文是经典CAN还是CANFD，FDF选择了CANFD后，就可以额外选择XLF段，进一步表示这帧报文是CANXL。根据协议格式，CANXL有如下几个特点：

1

在HS-CAN和CANFD中，CAN-ID字段(11 位或29 位)用于仲裁和寻址目的。在CANXL中，这些函数是分开的。11位优先级ID子字段(Priority ID)提供了CANXL数据帧的唯一优先级分配，系统工程师需要为数据分配独一无二的优先级ID。

2

32位接受字段AF (Acceptance Field)包含在CANXL控制器的64位硬件接受过滤器中，它可能包含节点地址或内容指示信息，可以用于包含经典CAN的高层协议。

3

服务数据单元类型SDT (Service Data-unit Type)表示这个CANXL帧使用哪个高层协议，它是在ISO7498-4:1998中描述的嵌入式(OSI)层管理信息。可以使用以下类型的定义：

• 遗留的基于CAN的高层协议

• 以太网帧的隧道化

• 经典CAN和CANFD帧的隧道化

• TCP/IP段

• CANopen / CANopenFD

• J1939-21/22消息

• 生产商自定义协议等

4

虚拟CANID (Virtual CAN network ID)字段允许运行多达256个逻辑网络在一个单一的CANXL网络段。这允许实现由服务数据单元类型确定的多个同构逻辑网络，这个字段可以说是一个嵌入的(OSI)层管理信息，如ISO7498-4:1998所述。

5

数据长度编码DLC (Data Length Code)在CANXL中增加到11位，支持最高2048字节的数据长度。

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数据链路层安全指示SEC (DLL Security Indication)是一个新的位，表示在数据链路层使用了额外的数据安全协议。

CANXL物理层

CANXL数据帧以两个不同的比特速率传输，类似于CANFD数据帧的传输。低速传输遵循经典CAN仲裁的规则，而数据段则使用高比特率传输。

• 在仲裁阶段，最大传输速率是1Mbps。所选的速率决定网络长度，速率越高，允许的网络长度越短。

• 在数据阶段，最大传输速率不受网络长度的限制。它可以是10Mbps甚至更高，这取决于收发器的能力和所选的其他物理层组件，例如电缆、连接器、保护电路等。

CANXL网络可以使用符合ISO11898-2:2016的任何类型的收发器，或者CiA601-4中规定的CANFD SIC信号改善收发器。对于10Mbps以上更高的传输速率，将定义在CiA610系列中新的CANXL-SIC收发器可以胜任。

英飞凌最新一代MCU，TC4系列已经集成CANXL controller。作为CANXL总线的过度方案，CANXL controller (TC4) 搭配CANFD SIC transceiver (TLE9371SJ或TLE9371VSJ) 的方案无需对目前的物理层架构进行更新，即可沿用目前的CANFD SIC收发器进行CANXL的数据传输。虽然此方案的通讯速率无法突破来自CANFD SIC收发器的限制8Mbps，但是通过CANXL协议的最高2048字节的数据场，弥补了CANFD的64字节的限制，大大提升了有效信息的传输效率。

而CANXL controller (TC4) 搭配CANXL SIC transceiver作为CANXL技术的最终标准方案，硬件上要求CAN收发器支持SIC mode和FAST mode的模式转换功能，即支持显性/隐性和level_0/level_1两种总线驱动方式以达到最高20Mbps的传输速率。应用场景上，该方案可满足CAN网络节点大数据传输的需求并且可以弥补CAN与Ethernet之间的速率差距，同时也给CAN与Ethernet之间的数据交互带来更大的便捷性。

下图是使用英飞凌CANXL SIC transceiver (test chip，仅供内部测试使用)发出的一帧CANXL报文物理层信号。在低速的仲裁段，收发器工作在SIC mode，通讯速率使用500kbps；在高速的数据段，收发器工作在FAST mode，通讯速率使用20Mbps。

结语

作为业内主要的车载网络方案供应商，英飞凌有完整的CAN收发器产品家族：

• 通讯速率从1Mbps (HS-CAN)至5Mbps (CANFD)并进一步至8Mbps (CANFD SIC)

• 工作模式涵盖：普通(basic CAN), 待机(Standby CAN)，睡眠(Sleep CAN)，局部网络(PN CAN)

• 产品封装：8 pin, 14 pin, DSO封装，TSON封装

• 温度等级：grade-1 (-40~125℃)，grade-0 (-40~150℃)

CANFD SIC信号改善收发器TLE9371，补足了产品家族中高带宽及振铃抑制这一部分，能有效降低系统设计成本，简化大型网络的设计难度。该技术从物理层保证CANFD协议得到有效可靠的传输，并且没有副作用，为5Mbps及8Mbps的CANFD应用铺平道路，同时也能作为CANXL总线的过度方案，搭配英飞凌TC4 MCU的CANXL controller，实现”较低”通讯速率(最高8Mbps)的CANXL总线应用。针对未来CANXL SIC收发器，英飞凌已完成相关IP技术储备，将在未来适时推出适合市场应用的CANXL SIC收发器产品。

英飞凌的TLE9371系列CANSIC收发器已在2023上半年实现量产。