下一代 CAN 通信技术 CAN XL 简介

作者：leon1741

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。

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 10 Mbit/s 以太网的稳定性；

• 鲁棒性：与 CAN FD 一样好，甚至要优于 10 Mbit/s 以太网；

• 波特率：在数据段的传输速率最大可达 10 Mbit/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 500 kbit/s 至 1 Mbit/s 的低速率，但数据场的传输速率却可提升至 2 Mbit/s 至 10 Mbit/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 2048 Byte 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。

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。

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。

报头部分

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。

报尾部分

• 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。

Q&A

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。