第三代CAN通讯技术 CAN-XL

印宁华|Indining China|

2025-05-14 13:43:14 782

?CAN-XL（CAN Extended Length）?是一种最新的CAN总线通信技术，旨在解决传统CAN总线在高速数据传输和长数据包处理方面的局限性。CAN-XL作为第三代CAN通信技术，在数据传输速率和有效负载方面有了显著提升。

技术特点

?高传输速率?：CAN-XL的数据段传输速率可达20Mbps，甚至有潜力达到30Mbps。
?大有效负载?：CAN-XL的数据字段长度最大可达2048字节，显著超过了传统CAN和CAN FD的容量。
?兼容性?：CAN-XL向下兼容CAN FD和经典CAN，向上兼容以太网数据报文，确保了广泛的适用性。
?物理层?：CAN-XL的物理层仍在开发中，采用了新的PWM编/解码机制，支持高速数据传输。

应用场景

?汽车行业?：由于其在高速数据传输和大容量数据包处理方面的优势，CAN-XL特别适用于汽车行业，能够满足现代汽车电子系统中复杂的数据通信需求。
?工业控制?：在工业自动化和控制系统中，CAN-XL的高速率和大容量特性使其能够更好地支持大规模设备和传感器网络的实时数据交换。

发展历程和标准化进程

?初始提案?：2021年，CiA发布了CAN-XL的初始技术提案（CiA 610-1）。
?详细规范制定和测试?：2022年至2023年，进入详细规范制定和测试阶段，重点完善物理层和数据链路层协议。
?预计发布时间?：预计在2024年完成标准化并正式发布。

行业标准支持情况

主要推动者包括芯片厂商如NXP和Infineon，工具厂商如Vector、Kvaser和PEAK，以及汽车制造商如大众和宝马，这些公司都在积极参与标准验证和实际应用测试，推动CAN-XL在车载网络中的应用。

CAN-XL 概述

经典CAN于1986年推出。*代CAN通信技术取得了超过25年的成功。而且它仍然是车载网络中的主导。 2012年，开始开发第二代CAN通信技术，即众所周知的CAN FD，并在两年后的法国巴黎第14届iCC（international CAN Conference）上正式推出。2020年的第17届国际CAN大会（iCC）上，第三代CAN通信技术CAN XL将启动。

CAN XL提供一个最大2048字节的数据字段（例如IP（Internet协议），甚至可以传输完整的以太网帧）。11位优先级字段可由网络层用于寻址和指示数据字段的内容。此外，CAN XL协议为使用的下一个更高协议提供8位指示符，其嵌入式层设置参数对于其他高层协议也很有帮助，以简化多协议堆栈。 CAN XL帧通过两个CRC（循环冗余校验）进行保护，其Hamming距离为6，这意味着可以检测到五个随机分布的比特错误。

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。

CAN-XL与CAN-FD一样具有两个比特率相位。在仲裁阶段，经典CAN和CAN FD一样，比特率被限制为1 Mbit / s；在数据阶段，由于只有一个节点正在传输，因此可以提高比特率。

CAN XL填补了CAN FD与100BASE-T1（以太网）之间的空白

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*的解决方案。填补了CAN FD与100BASE-T1（以太网）之间的空白。

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。
1.兼容性：向后兼容CANFD及HS-CAN
2.波特率：在数据段的传输速率最大可达10Mbps甚至20Mbps
3.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：
1.Logical Link Control (LLC)：位于OSI网络层和Media Access Control (MAC)子层中间的层。
2.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*优先级分配，系统工程师需要为数据分配*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。
6. 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。

1.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。
2.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。

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。

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