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第三代CAN总线 CAN-XL

来源：智车Robot
2023-11-06
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CAN-FD引入了更快的比特率，在数据阶段可设置为高达5Mbit/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推出了第三代CAN通信技术CAN-XL（extra long）。

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。其目标是实现高达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优化，能够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。CAN-XL通过保持CAN协议的优势（例如无损仲裁的冲突解决），为高达10Mbit/s的数据速率提供了出色的解决方案， 填补了CAN-FD与100BASE-T1之间的空白。
它主要有以下几个核心期望特性。
1.有效负载长度：与以太网帧长度一样。
2.可靠性：等于或者优于CAN，CAN-FD和10Mbit/s以太网的稳定性。
3.鲁棒性：与CAN-FD一样好，甚至要优于10Mbit/s以太网。
4.波特率：在数据段的传输速率至少大于10Mbit/s。
5.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报文分为仲裁段和数据段，尽管CAN-XL在仲裁段使用500kbit/s至1Mbit/s的低速率，但数据段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能够强制执行速率切换。       45.png

CAN-XL协议

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，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段支持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。

第3代 CAN-XL 数据链路层协议关键功能如下：

1.传输数据最多可达2048字节；

2.包含高层协议管理信息；

3.使用两个CRC检验段用于提升可靠性；

4.其传输位速率达到10 Mbit/s；

5.支持所有3种CAN协议，经典CAN、CAN-FD和CAN-XL，保留与CAN2.0和CAN-FD的互操作性；

6.支持集成到TCP/IP网络系统中。
CAN-XL重新定义数据链路层，分为两个数据链路子层CAN-XL与以太网相似，CAN标准（ISO 11898系列）规定了两个数据链路层子层：LLC层和MAC层。
LLC子层：位于OSI网络层和MAC子层的中间层。LLC帧结构包含所有的CAN帧格式和类型需要的内容。

MAC子层：负责将帧数据从LLC子层移动到PMA子层，通过位填充（stuffbits）和CRC来保证帧的传输。

在发送过程中，LLC帧被转换为一个MAC帧。在接收时MAC帧被转换为一个LLC帧。在LLC帧中未被用于所选的CAN帧格式的部分内容将被忽略。

从顶层看，CAN控制器支持CAN-XL，CAN-FD和经典CAN，所以需要支持3种数据格式，其软件接口如图所示。
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新的LLC帧格式

有了优先级ID、远程帧和扩展帧指示，FDF位表示使用CAN-FD协议而不是经典CAN；选择了FDF段，就可以选择额外使用包含很多内容的XLF段，表示支持CAN-XL。

根据CAN XL LLC帧格式，可以总结出如下几个特点：
1、CAN-XL数据需要传输一个11位的优先级ID，表示数据在总线上的优先级。系统设计师需要为数据分配独一无二的优先级ID；
2、FDF位会一直是显性的；
3、XLF位会一直是显性的；
4、服务数据单元（SDU）类型表示这个CAN-XL帧使用那个高层协议；
5、数据链路层安全指示（SEC）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；
6、数据长度编码（DLC），在CAN-FD和经典CAN中也有，它的长度是4位。在CAN-XL中是11位，为了传输更多的数据，数据可以有2048个字节；
7、虚拟CAN ID和SDU类型一样是新的字段。虚拟CAN ID可以使完全不同的应用运行在同一条电缆上。例如这一帧用于这个应用，下一帧用于另外一个应用，可以使用分开不同的通道。虚拟ID在以太网中很常见；
8、接收段（AF），首先这是正式的CAN ID，有时直接使用29位ID，可以在这里提供用户希望收到的内容，也可以用作保证字段，像经典CAN一样表示数据的内容或者节点地址信息。无论用户想要什么，都可以将其放入接收字段；

9、LLC数据字段的帧可以包含最多2048字节数据，最小字节为1字节，所以不能像经典CAN和CAN-FD一样发送0字节的数据。  

正如上面提到CAN ID和CAN-FD和经典CAN不一样，在经典CAN和CAN-FD中，CAN ID字段（11位或29位）用于仲裁和寻址目的。而在CAN-XL中，这些函数是分开的。11位优先级ID子字段（priority ID sub-field）提供了CAN-XL数据帧的唯一优先级分配。32位接收字段（acceptance field）包含在CAN-XL控制器的64位硬件接收过滤器中，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。

数据服务单元（SDU）是一个新的内容，和以太网的EtherType类似。OSI层管理信息符合ISO 7498-4：1998，这是一个旧的协议，将它内嵌到XL帧中，可以提供更多的应用。在SDT中，发送节点提供使用高层协议的信息，可以是传输层协议、网络层协议或应用层协议。例如：遗留的基于CAN的高层协议；以太网帧的隧道化，可以传输以太网帧，使过程更加平滑和简单；经典CAN和CAN-FD帧的隧道化，将经典CAN和CAN-FD帧转发到另一个局域网，CAN-XL作为骨干网使用；TCP/IP段；CAN open/CAN open FD；J1939-21/22消息；生产商自定义协议等。

虚拟CAN-ID和SDT虽然有些类似，但也有一定的区别。虚拟CAN-ID的目的是在电缆上运行不同的应用，带宽和长度足以用于更多的数据。例如，可以同时上传或下载两个不同的应用程序，支持256个不同的虚拟通道，某种程度上也属于网络层信息。所以，可同时使用一帧用于某个应用程序，另一帧用于另一个程序或一组应用程序。

对于数据链路层，CAN-XL支持专有的协议。控制字段中的SEC位表示这个CAN-XL数据帧是否使用CADsec协议。CADsec协议具有一个4字节的header，包含密码控制信息、CAN安全通道ID和一个新鲜度值。16字节的trailer包含128位身份验证标记。这个功能目前尚在开发中，还需要芯片制造商的支持。

经典CAN、CAN-FD和CAN-XL帧的区别如图所示。
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经典CAN、CAN-FD和CAN-XL帧的比较

1. 帧起始

帧起始和帧结束是作为不变的部分。

2.仲裁段
在仲裁段中存在如下内容：
（1）优先级ID：11位优先级ID字段负责分配唯一优先级仲裁的CAN XL数据帧。系统设计人员需要保证优先级ID对于不同帧是唯一的；
（2）RRS：用于填充远程帧；
（3）IDE：用于指示是否使用29位ID；
（4）FDF：FDF指示使用2个波特率；

（5）XLF：用于指示是否使用新了XL协议。

3.控制段
控制段在经典CAN和CAN-FD中很短，在CAN-XL中有更多的功能，需要更多的位去控制XL帧。
控制段中包括以下几个内容：
（1）R1：保留的R1位，用于未来第四代CAN的开发；
（2）ADS：并不是协议的一部分，只是切换比特率，为了正确切换到快速波特率，长度需要4位。传输使用快速波特率，可以达到10Mbit/s或者更高；
（3）SDT：服务数据单元；
（4）SEC：安全位；
（5）DLC：数据长度编码；
（6）SBC：填充位计数器，这个在CAN-FD协议就已经有了，用于计算填充位的数据；
（7）PCRC：CRC多项式校验，PCRC是13位，它提供的汉明距离为6，意味着可以检测出在CRC字段之前5个随机分布的错误。在CAN-XL中可以进行单次发送，可以停止传输并表明需要处理一个错误；
（8）VCID：虚拟CAN ID；

（9）AF接收段，有32位长，在控制段的结尾，不需要经典CAN和CAN-FD的地址信息。

4.数据段

数据段最大长度为2048字节。

5.CRC段

数据段受CRC段保护，CRC段提供32位的帧CRC，在全部2048字节的汉明距离也为6，比其他网络要好。检查模式用于检测帧中某一位的错误。因为两个CRC是级联的，所以FCRC也保护PCRC，全部的FCRC和PCRC保证了高可靠性的通信系统。

6.ACK段

经典CAN和CAN-FD是2位，CAN-XL有6位，多出来的4位用于将不同节点从高速度重新同步到低速度。DAS字段中的第一个是DAH位，它是作为逻辑1发送的。通过该位，将CAN-XL SIC中的收发器模式切换回SIC模式。ACK位和ACK界定符同之前的协议一样。

7.帧结束

帧结束段包含7个隐性位，表示已经准备好并且帧已经发送完毕。

CAN-XL有很多变化，需要更多位，所以帧头开销更大，数据也变得更长长。使用CAN-XL仅传输一个字节的话，效率会非常低。如果使用所有的2048个字节，例如下载软件，效率会很高。

CAN-XL的物理层会有些不同，使用经典CAN收发器速率会被限制在1Mbit/s，CAN-FD收发器速率会被限制在2Mbit/s或者2Mbit/s，使用CAN SIC收发器，速率可以达到8Mbit/s。

目前正在开发CAN-XL SIC收发器，速率可以达到10Mbit/s以上，2023年4月CAN XLPlugfest会议上Kvaser成功演示了20Mbit/s的速度。CAN-XL SIC收发器必须支持MICI接口（medium-independent CAN interface，介质无关CAN接口），当采用MICI接口时，可以向下兼容之前的CAN-FD，也给半导体商和工具开发商提供更多灵活的实现方案。目前研发中的芯片MICI接口是和收发器芯片在一起的，MICI用于连接CAN-XL控制器和CAN-XL SIC收发器，它基于TX的单路经PWM信号而工作。
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MICI接口

CiA规定了CAN-XL控制器（CIA 610-1）和CAN-XL SIC收发器（CIA 610-3），CAN-XL控制器可以连接到所有提供AUI或MICI接口标准化CAN收发器技术。CAN SIC XL收发器有两个工作模式：SIC mode模式；Fast TX /RX mode模式。

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。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地展开，将为应用提供更丰富的可能性。


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