标签: CAN XL

CAN XL是第三代控制器局域网协议，建立在经典CAN和CAN FD网络的基础上，并支持向后兼容。它面向车载网络，使用单个差模总线连接多个控制器和传感器。由于高度的耐用性和对布线需求最小的总线拓扑结构，控制器局域网协议越来越多地进入新的工业应用。 CAN XL支持比其前代产品更高的数据比特率和更长的数据有效载荷，允许高达20Mbit/s的传输速率和高达每帧2048字节的传输速率。为了支持更高的数据传输速率，引入了一种新的CAN SIC XL收发器类型，用于提供高速数据传输所需的快速信号边沿、低振铃和对称性。 CAN XL仍可与混合模式总线上的典型CAN、高速CAN或CAN SIC收发器一起使用，或者如果应用不需要高比特率时也可一起使用。 更高的比特率和数据有效载荷能力使 CAN XL能够弥合CAN FD和汽车以太网100BASE-T1之间的差距。CAN XL支持以太网隧道，旨在集成到TCP/IP网络系统中。 CAN XL的信号构成 CAN XL使用差分两线总线，由CAN高电平（H）和CAN低电平（L）信号组成。 实际信号的电压电平取决于总线拓扑结构和所使用的收发器类型（如：总线是仅由 CAN XL 器件组成，还是将 CAN XL 与经典 CAN 和/或 CAN FD 器件混合使用）。 CAN XL帧由仲裁段、XL数据段和第二个仲裁段组成。 图 1 CAN XL帧结构 在仲裁段，帧位以 “标称”比特率传输，通常高达 500kbit/s。XL 数据段通常以至少几兆比特/秒的更高比特率传输，称为 XL 数据比特率。 有两种逻辑状态：逻辑 0 和逻辑 1。在总线空闲和仲裁段，逻辑 0 由“显性”状态表示，而逻辑 1 由“隐性”状态表示。 当总线未驱动时，会进入隐性状态；当至少有一个节点驱动总线时，会进入显性状态。这提供了一种仲裁机制，允许来自一个节点的显性位覆盖另一个节点传输的隐性位，每个节点在发送时必须主动读取总线状态，如果总线状态与传输的状态不匹配，则立即停止传输。在这种情况下，另一个节点 “赢得”了仲裁。 仲裁只能在仲裁段进行，并且在 CAN XL数据段一次只能有一个节点在总线上传输。 总线在隐性状态下空闲， CAN H和CAN L信号都在2.5V左右。注意其差分电压等于或接近于0。在显性状态下，CAN H被驱动至5V，而CAN L被驱动至0V，从而产生正差分电压。 CAN XL波形测试与串行译码 测试工具：虹科 Pico4425A示波器（EP014） 图 2 CAN总线示波器（EP014） 测得的 CAN XL波形如下图。接下来，我们将在配套的PicoScope 7 Automotive软件中进行串行译码。 图 3 CAN XL波形数据 CAN XL 译码工具包含在虹科PicoScope 7 Automotive软件中。要在 PicoScope 7 Automotive软件中译码 CAN XL 波形，请从【更多】工具菜单里选择并启动【串行译码】话框。如下图 图 4 选择【更多】中的【串行译码】 在软件支持的协议列表里，选择【 CAN XL】，然后点【下一步】： 图 5 选择【 CAN XL】 为 CAN XL数据信号选择相应的输入通道， 例如下图的 A通道。数据源可以是来自CAN XL TXD 的信号、差分总线的CAN H 或 CAN L。 CAN XL译码只需要一个差分通道。但是，如果需要，也可以通过捕获CAN H和CAN L并使用数学通道来计算差分信号电压，并进行译码。数学通道可以用作译码器的数据源。 图 6 配置 CAN XL参数 一旦选择了数据的来源通道，接着根据所测的 CAN XL总线的参数来设置以下选项： （ 1）阈值 一般设置为信号电压水平的中间值为阈值，即 CAN XL的差分电压在0至5V之间变化，我们设置为2.5V的阈值。 （ 2）XL Data Bit Rate （XL数据比特率） XL数据段所使用的波特率 （ 3）FD Data Bit Rate （FD数据比特率） 比特率可切换（ BRS=1）的CAN FD数据包，其数据段所用的波特率。 如果总线上没有节点发送 CAN FD数据，这个选项可以被忽略。 （ 4）Nominal Bit Rate (标称比特率) CAN XL数据包仲裁段所使用的波特率。 此设置也适用于总线上可能存在的任何经典 CAN数据包和任何CAN FD数据包的仲裁段。 （ 5）Hing or Low (高或低) 所选择的数据来源是 CAN高还是CAN低信号。 如果是对 CAN TXD进行译码，请选择CAN L ow 配置完所有选项后，单击 【 下一步 】 进入 【 显示 】 选项卡。在 【 显示 】 选项卡中，根据需要配置以下字段： 名称 设置译码器实例名称。 PicoScope 会自动使用默认名称填充此名称，但你可以根据需要进行更新。 图形显示格式。 为原始的数据包选择一种在波形图上显示的数据格式。 表格显示格式 为原始的数据包选择一种在译码器输出表格里显示的数据格式。 表格内容 选择让表格只显示当前缓冲区里的数据，还是显示所有缓冲区里的数据。 时间标尺间解码 如果设置了时间标尺，译码器将仅解码两条时间标尺之间的数据。 图 7 配置显示字段 到此，你可点击上图的 “完成”，完成所有设置，软件即开始译码。 图 8 CAN XL译码结果 如需波形源文件，可点此获取： https://bbs.qichebo.com/forum.php?mod=viewthread&tid=71867&extra=page%3D1&_dsign=7495e943

CAN XL 技术解读 蒋露 1. 前言 CAN总线作为车载总线中极为重要的一部分，已经经历了相当长时间的考验，而第二代CAN总线（即CAN FD）也在近几年里逐步实现大规模的应用，与此同时，第三代CAN总线（CAN XL）也将要正式推出。本文将为大家分享CAN XL的相关内容。 2. 为什么要推出CAN XL 1 ）填补CAN FD与100BASE-T1之间的空白 当前常用车载总线既包括低速率的总线，这些总线覆盖了5MBit/s及以下的应用（目前CAN FD的典型速率是2MBit/s，后续可能会升级至5MBit/s），也包含高速率的总线，即车载以太网（100/1000BASE-T1）。而在“复兴号”和“绿皮车”之间，需要较为合适运载手段，以在成本、性能、速率之间取得平衡，顺应新的应用场景需求。 大家可能会问，FlexRay总线是否可以？只要对FlexRay总线有所应用，会了解其开发成本、不友善的刷写应用、不利于拓展的拓扑结构等都影响了更广泛的推广应用，从而被放弃。 所以在10MBit/s通信的“gap”区间，出现了2种易于推广的方案：从高速率通信技术下沉而来，即10BASE-T1S；从低速率总线升级提升而至，即CAN XL。 图1 填补CAN FD与100BASE-T1之间的空白 2 ）增加最大报文长度 最大报文长度与通信速率是相辅相成的，更快的通信速率意味着可以使用更大的数据长度。CAN XL被设计为至少实现10 MBit/s的通信速率，最大支持2048字节的单帧传输。从CAN FD最大支持64字节的报文长度，到CAN XL最大支持2048字节，报文长度的提升有了质的飞跃。而我们知道，通常以太网报文的单帧最大长度为1518字节，这意味着我们可能会在CAN XL上运行TCP/IP协议。 为什么CANXL要极大地增加最大报文长度？ 这就涉及到第三点：如何与以太网的10BASE-T1S形成有力竞争。 3 ）竞争力 前面提到了对垒双方10BASE-T1S与CAN XL大致信息。先说10BASE-T1S，其上层协议完全使用TCP/IP，物理拓扑上则变成了类似CAN的总线形式，总的来说特点就是降低成本。得益于以太网上层应用的成熟性，10BASE-T1S能更好地将外部应用向车内扩展。但是，车内如何与当前车载网络技术融合是很大的挑战，这在我看来也正是CAN XL在着力解决的问题：兼容性。 CANXL一方面是从CAN FD衍生，继承了CANFD的特性（如仲裁机制、错误检测等等），能很好的衔接以CAN为主的车内通信（主要是指基于信号的通信方式）；另一方面，CAN XL对其协议做了很大的扩展，允许在CAN XL上运行TCP/IP，或者说：既然10BASE-T1S的核心竞争力是成熟的TCP/IP协议和丰富的上层应用，那么秉承打不过就加入的策略，CAN XL期望做到对以太网上层协议的良好兼容（特别是面向服务的通信方式）。 这也正是本文前面所说，早期的CAN XL需求更多的是解决速率瓶颈，但随着不断演进，兼容性、“包容性”变成了非常关键的要素。那么接下来我们介绍一下CAN XL的特点，探讨下其怎样实现这种兼容性。 3. CAN XL 的特点 1 ）通信速率：10 MBit/s以上 首先是其通信速率，设计为10 MBit/s以上（典型速率可能为12 MBit/s，但不会超过20 MBit/s），但由于CAN XL还没有完全落地，实际的参数需要等正式标准化结束后才有定论。 2 ）帧结构 图2 CAN XL帧结构 帧结构总体与CAN FD一致，帧的头尾是低速模式（约1MBit/s），帧主体是高速模式，高速模式和低速模式通过特定字段划分。帧格式的简要说明如下： PriorityID、AF（AcceptanceField）：与CAN ID相比，CAN XL把优先级和message ID的概念做了拆分，Priority ID用于处理优先级，AF用于表示message ID，后文做额外说明； XL：这个字段包含多个bit，表示此报文是标准CAN报文、CANFD报文还是CAN XL报文（即兼容CAN、CAN FD）； ADS（Arbitration Data Sequence）、DAS（Data Arbitration Sequence）：速率转换的过渡字段，用于低速率转高速率、高速率转低速率； SDT（SDU Type）：指示数据类型，后文做额外说明； SEC：表示是否为加密数据，由于目前的资料有限，可能需要等CAN XL正式发布后再讨论其作用与否； SBC（Stuff Bit Count）、PCRC、FCRC、FCP（FormatCheck Pattern）：用于CRC校验、错误检测，由于可携带数据长度增加了很多，因此设计了前后2处的CRC检验，CRC的长度也相应扩展； VCID（Virtual CAN Network ID）：类似以太网中的VLAN，后文做额外说明。 3 ）SDT、AF 前面提到，CANXL可以兼容以太网上层协议和CAN通信，这部分的内容正是由SDT和AF字段实现。SDT类比于Ethernet Ⅱ的类型字段，表明CAN XL报文携带什么样的数据；AF是用于寻址的字段，类比于CAN ID和以太网的MAC地址，根据SDT的不同值，AF可以有不同的寻址方式。比如当SDT=0x3，AF就是传统的CAN ID，报文携带的数据就是传统CAN报文的数据；SDT=0x4，AF表示以太网中目标MAC地址，报文就表示为以太网报文。 图三SDT定义 看到这里，有读者应该会意识到，这里存在一个问题。CAN XL通过SDT和AF的组合可以表明一个以太网报文，但是以太网报文中3个重要字段：源MAC地址、目标MAC地址、类型在CAN XL中只截取了目标MAC地址。目前看CAN XL可能是打算将整个以太网报文都放进data field中，再增加帧头等信息，但笔者认为这不是一个很好的方式，可能需要等CANXL正式发布后我们再来探讨下这部分内容。 4 ） Priority ID 、 AF CAN 依据优先级进行仲裁，而在CAN和CAN FD中，优先级和messageID使用相同载体，这也使得在系统设计时会将重要信号放在高优先级的报文中。但CAN XL将优先级和message ID做了分开处理，即Priority ID和AF。这意味着可以有更灵活的设计方式，同时由于SDT的划分，CAN XL报文同样也可以采用源地址和目标地址的寻址方式（即SDT=0x2，Node Addressing）。但考虑到CAN已经使用了很多年，出于沿用和过渡的考虑也可以将Priority ID和AF设计为同样的值，继续按照之前的方式使用。 5 ）VCID VCID 参照了以太网中VLAN的概念，将VLAN ID应用到CANXL上，即在数据链路层允许进行虚拟网络的划分。与VLAN的相同，这种虚拟网络划分使得通信可以摆脱一部分物理拓扑的限制，也能提高数据的安全性。其实这种虚拟网络在当前CAN中存在类似的机制（AUTOSAR Partial Network，后文简称PN），也就是说，如果我们使用CAN XL中的VCID，我们就可能出现3种局部网络：通过软件实现PN而形成的上层局部网络（包含网络管理和上层应用）；通过VCID实现的数据链路层的局部网络；通过PN收发器实现PN而形成的物理层局部网络（主要应用网络管理）。如何将这3种机制融为一体可能会是CANXL落地后需要考虑的部分。 4. 对于选择10BASE-T1S还是CANXL，考虑哪些方面 前面提到很多关于CAN XL的内容，但总的来讲，其与10BASE-T1S各有优劣，尤其是当前CAN XL还未正式发布（所有的内容都可能存在变更），那么在此仅基于应用落地的考虑谈谈如何做出选择： 1 ）用在哪里 在考虑成本等因素前，或许需要先梳理清楚为什么要引入这些技术，应用场景是什么。 CANXL典型应用场景：在以太网作为主干网的架构中，CAN XL用作其下一级网段，满足对数据吞吐、实时性有较高要求，需与域控或区域控制器构建更灵活的交互机制的通信需求。基于这种场景，CAN XL可能是更优的选择（即本文的核心观点：兼容性）。如果选择10BASE-T1S，车内CAN信号的交互需要经过UDP/TCP包的重组，可能还需要考虑丢包、延迟等协议不同带来的差异。 2 ）成本 成本将会成为能否广泛推广应用的核心点。虽然CAN XL在设计时就考虑过其成本应该低于10BASE-T1S，但硬件成本只是一方面，软件开发各环节成本可能会是压倒骆驼的最后一根稻草。 3 ）沿用件的情况 沿用件本身应该算作成本的一环，但这里把沿用件单独拿出来分析，是由于车型的更迭不是一蹴而就的过程，会有较长的过渡期，甚至某些样件或技术会一直沿用。这种情况下，新技术的引入必须考虑与沿用件和原技术的兼容情况。 4 ）休眠、唤醒 这里的“休眠、唤醒”指的是低功耗相关行为，当前的车载以太网对于休眠唤醒的深度支持大多需要I/O或者CAN端口作为控制来实现，这对于车内网络来说显然不够灵活并且也产生额外的成本，或是需要10BBASE-T1S的PHY同样支持TC10所定义的Sleep/Wake-up机制。而CAN XL由于继承了CAN本身的休眠唤醒特性且可兼容CAN，有着天然的优势（CAN XL可以使用标准CAN报文作为唤醒信号，而不需要为了适应高速率做额外定义）。 5. 总结 虽然CANXL未正式发布，但从目前的技术文档来看其潜力很大，尤其是其既保留了CAN本身的优势、特点，又能对以太网进行衔接。因此需要大家保持关注，提前做好技术储备。 北汇信息专注于汽车电子测试，与众多OEM和Tier1合作，在车载通信、诊断刷写、OTA、车内网络安全、域控制器功能测试等领域积累了丰富的经验。我们会持续关注CANXL的后续进展，持续分享。 注：文中部分图片来源于http://www.bosch-semiconductors.com/media/ip_modules/pdf_2/can_xl_1/canxl_intro_20210225.pdf 参考文献 CiA 610-1 CAN XL specifications and test plans Part 1: Data link layer andphysical coding sub-layer requirements CiA 610-2 CAN XL Part 2: Data link layer and physical signaling conformancetest plan CiA 610-3 CAN XLspecifications and test plans - Part 3: Physical media attachment sub-layerrequirements http://www.bosch-semiconductors.com/media/ip_modules/pdf_2/can_xl_1/canxl_intro_20210225.pdf TC10 Wake-upSleep Specification for Automotive Ethernet