下一代CAN通訊技術——CANXL簡介

概述

CAN總線(Controller Area Network)是上世紀80年代開發(fā)的一種串行通訊總線。由于其高性能、易用性及高可靠性而被廣泛應用于汽車、工業(yè)控制等行業(yè)。但隨著汽車電子、工業(yè)自動化的蓬勃發(fā)展，總線上的設備數(shù)量、通訊數(shù)據(jù)量都大大增加，使得傳統(tǒng)HS-CAN (High Speed CAN)的500kbps(最高1Mbps)傳輸速率受到了極大的挑戰(zhàn)。

在上一期，我們介紹了為應對這種挑戰(zhàn)而開發(fā)的CANFD總線，以及為了應對振鈴問題，英飛凌發(fā)布的CANFD SIC信號增強收發(fā)器TLE9371系列。本期我們將展望未來，探討下一代CAN總線的趨勢。

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(xiàn)有CAN總線的各種優(yōu)勢也需要得到保留。

• 兼容性：向后兼容CANFD及HS-CAN

• 波特率：在數(shù)據(jù)段的傳輸速率最大可達10Mbps甚至20Mbps

• 有效負載長度：達到或超過以太網(wǎng)的幀長度

在2020年第17屆國際CAN大會上CiA協(xié)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(shù)據(jù)場長度提升至最高2048 byte。物理層仍在開發(fā)中，其目標是進一步實現(xiàn)高達10Mbps甚至20Mbps的傳輸速率。

CANXL協(xié)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(shù)據(jù)段。仲裁段仍使用500kbps至1Mbps的低速率，但數(shù)據(jù)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(yōu)先級判定，讓更重要的報文得到更短延遲的傳輸。

在CiA601-1規(guī)范中定義了CANXL協(xié)議。與以太網(wǎng)相似，CANXL定義了兩個數(shù)據(jù)鏈路層子層：

• Logical Link Control (LLC)：位于OSI網(wǎng)絡層和Media Access Control (MAC)子層中間的層。

• Media Access Control (MAC)：負責將幀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸。

如下圖，新的LLC幀格式可支持三代CAN協(xié)議。

其中，F(xiàn)DF表示這幀報文是經(jīng)典CAN還是CANFD，F(xiàn)DF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(jù)協(xié)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(shù)是分開的。11位優(yōu)先級ID子字段(Priority ID)提供了CANXL數(shù)據(jù)幀的唯一優(yōu)先級分配，系統(tǒng)工程師需要為數(shù)據(jù)分配獨一無二的優(yōu)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(jié)點地址或內(nèi)容指示信息，可以用于包含經(jīng)典CAN的高層協(xié)議。

3

服務數(shù)據(jù)單元類型SDT (Service Data-unit Type)表示這個CANXL幀使用哪個高層協(xié)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(xié)議

• 以太網(wǎng)幀的隧道化

• 經(jīng)典CAN和CANFD幀的隧道化

• TCP/IP段

• CANopen / CANopenFD

• J1939-21/22消息

• 生產(chǎn)商自定義協(xié)議等

4

虛擬CANID (Virtual CAN network ID)字段允許運行多達256個邏輯網(wǎng)絡在一個單一的CANXL網(wǎng)絡段。這允許實現(xiàn)由服務數(shù)據(jù)單元類型確定的多個同構邏輯網(wǎng)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(shù)據(jù)長度編碼DLC (Data Length Code)在CANXL中增加到11位，支持最高2048字節(jié)的數(shù)據(jù)長度。

6

數(shù)據(jù)鏈路層安全指示SEC (DLL Security Indication)是一個新的位，表示在數(shù)據(jù)鏈路層使用了額外的數(shù)據(jù)安全協(xié)議。

CANXL物理層

CANXL數(shù)據(jù)幀以兩個不同的比特速率傳輸，類似于CANFD數(shù)據(jù)幀的傳輸。低速傳輸遵循經(jīng)典CAN仲裁的規(guī)則，而數(shù)據(jù)段則使用高比特率傳輸。

• 在仲裁階段，最大傳輸速率是1Mbps。所選的速率決定網(wǎng)絡長度，速率越高，允許的網(wǎng)絡長度越短。

• 在數(shù)據(jù)階段，最大傳輸速率不受網(wǎng)絡長度的限制。它可以是10Mbps甚至更高，這取決于收發(fā)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(wǎng)絡可以使用符合ISO11898-2:2016的任何類型的收發(fā)器，或者CiA601-4中規(guī)定的CANFD SIC信號改善收發(fā)器(例如英飛凌的TLE9371SJ或TLE9371VSJ)。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(fā)器可以勝任。

英飛凌最新一代MCU，TC4系列已經(jīng)集成CANXL controller。作為CANXL總線的過度方案，CANXL controller (TC4) 搭配CANFD SIC transceiver (TLE9371SJ或TLE9371VSJ) 的方案無需對目前的物理層架構進行更新，即可沿用目前的CANFD SIC收發(fā)器進行CANXL的數(shù)據(jù)傳輸。雖然此方案的通訊速率無法突破來自CANFD SIC收發(fā)器的限制8Mbps，但是通過CANXL協(xié)議的最高2048字節(jié)的數(shù)據(jù)場，彌補了CANFD的64字節(jié)的限制，大大提升了有效信息的傳輸效率。

而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(fā)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(qū)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(wǎng)絡節(jié)點大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛⑶铱梢詮浹aCAN與Ethernet之間的速率差距，同時也給CAN與Ethernet之間的數(shù)據(jù)交互帶來更大的便捷性。

下圖是使用英飛凌CANXL SIC transceiver (test chip，僅供內(nèi)部測試使用)發(fā)出的一幀CANXL報文物理層信號。在低速的仲裁段，收發(fā)器工作在SIC mode，通訊速率使用500kbps；在高速的數(shù)據(jù)段，收發(fā)器工作在FAST mode，通訊速率使用20Mbps。

結語

作為業(yè)內(nèi)主要的車載網(wǎng)絡方案供應商，英飛凌有完整的CAN收發(fā)器產(chǎn)品家族：

• 通訊速率從1Mbps (HS-CAN)至5Mbps (CANFD)并進一步至8Mbps (CANFD SIC)

• 工作模式涵蓋：普通(basic CAN), 待機(Standby CAN)，睡眠(Sleep CAN)，局部網(wǎng)絡(PN CAN)

• 產(chǎn)品封裝：8 pin, 14 pin, DSO封裝，TSON封裝

• 溫度等級：grade-1 (-40~125℃)，grade-0 (-40~150℃)

CANFD SIC信號改善收發(fā)器TLE9371，補足了產(chǎn)品家族中高帶寬及振鈴抑制這一部分，能有效降低系統(tǒng)設計成本，簡化大型網(wǎng)絡的設計難度。該技術從物理層保證CANFD協(xié)議得到有效可靠的傳輸，并且沒有副作用，為5Mbps及8Mbps的CANFD應用鋪平道路，同時也能作為CANXL總線的過度方案，搭配英飛凌TC4 MCU的CANXL controller，實現(xiàn)”較低”通訊速率(最高8Mbps)的CANXL總線應用。針對未來CANXL SIC收發(fā)器，英飛凌已完成相關IP技術儲備，將在未來適時推出適合市場應用的CANXL SIC收發(fā)器產(chǎn)品。

英飛凌的TLE9371系列CANSIC收發(fā)器已在2023上半年實現(xiàn)量產(chǎn)。