下一代 CAN 通訊技術 —— CANXL 簡介

來源: 英飛淩汽車電子生態圈

概述

CAN 匯流排（Controller Area Network）是上世紀 80 年代開發的一種串列通訊匯流排。由於其高性能、易用性及高可靠性而被廣泛應用於汽車、工業控制等行業。但隨著汽車電子、工業自動化的蓬勃發展，匯流排上的設備數量、通訊資料量都大大增加，使得傳統 HS-CAN（High Speed CAN）的 500kbps（最高 1Mbps）傳輸速率受到了極大的挑戰。

在上一期，我們介紹了為應對這種挑戰而開發的 CANFD 匯流排，以及為了應對振鈴問題，英飛淩發佈的 CANFD SIC 信號增強收發器 TLE9371 系列。本期我們將展望未來，探討下一代 CAN 匯流排的趨勢。

市場對下一代匯流排 CANXL 的需求

在增加資訊傳輸速率的基礎上，現有 CAN 匯流排的各種優勢也需要得到保留。

• 相容性：向後相容 CANFD 及 HS-CAN
• 串列傳輸速率：在資料段的傳輸速率最大可達 10Mbps 甚至 20Mbps
• 有效負載長度：達到或超過乙太網的幀長度

在 2020 年第 17 屆國際 CAN 大會上 CiA 協會（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，其資料場長度提升至最高 2048 byte。實體層仍在開發中，其目標是進一步實現高達 10Mbps 甚至 20Mbps 的傳輸速率。

CANXL 協議層

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資料段。仲裁段仍使用 500kbps 至 1Mbps 的低速率，但資料段的傳輸速率提升至最高 20Mbps。CANXL 通過位元仲裁機制解決匯流排的存取權限問題，遵循嚴格的優先順序判定，讓更重要的報文得到更短延遲的傳輸。

在 CiA601-1 規範中定義了 CANXL 協定。與乙太網相似，CANXL 定義了兩個資料連結層子層：

• Logical Link Control（LLC）：位於 OSI 網路層和 Media Access Control（MAC）子層中間的層。
• Media Access Control（MAC）：負責將幀資料從 LLC 子層移動到 Physical Signaling Sub-layer（PLS）子層，並通過位填充（Stuff-bits）和 CRC（Cyclic Redundancy Check）來保護幀資料的傳輸。

如下圖，新的 LLC 框架格式可支援三代 CAN 協議。

其中，FDF 表示這幀報文是經典 CAN 還是 CANFD，FDF 選擇了 CANFD 後，就可以額外選擇 XLF 段，進一步表示這幀報文是 CANXL。根據協定格式，CANXL 有如下幾個特點：

1. 在 HS-CAN 和 CANFD 中，CAN-ID 欄位（11 位或 29 位）用於仲裁和定址目的。在 CANXL 中，這些函數是分開的。11 位優先順序 ID 子欄位（Priority ID）提供了 CANXL 資料幀的唯一優先順序分配，系統工程師需要為資料分配獨一無二的優先順序 ID。
2. 32 位接受欄位 AF（Acceptance Field）包含在 CANXL 控制器的 64 位元硬體接受篩檢程式中，它可能包含節點位址或內容指示資訊，可以用於包含經典 CAN 的高層協定。
3. 服務資料單元類型 SDT（Service Data-unit Type）表示這個 CANXL 幀使用哪個高層協議，它是在 ISO7498-4:1998 中描述的嵌入式（OSI）層管理資訊。可以使用以下類型的定義：
   • 遺留的基於 CAN 的高層協議
   • 乙太網幀的隧道化
   • 經典 CAN 和 CANFD 幀的隧道化
   • TCP/IP 段
   • CANopen / CANopenFD
   • J1939-21/22 消息
   • 生產商自訂協議等
4. 虛擬 CANID（Virtual CAN network ID）欄位允許運行多達 256 個邏輯網路在一個單一的 CANXL 網路段。這允許實現由服務資料單元類型確定的多個同構邏輯網路，這個欄位可以說是一個嵌入的（OSI）層管理資訊，如 ISO7498-4:1998 所述。
5. 資料長度編碼 DLC（Data Length Code）在 CANXL 中增加到 11 位元，支援最高 2048 位元組的資料長度。
6. 資料連結層安全指示 SEC（DLL Security Indication）是一個新的位，表示在資料連結層使用了額外的資料安全協定。

CANXL 實體層

CANXL資料幀以兩個不同的比特速率傳輸，類似於 CANFD 資料幀的傳輸。低速傳輸遵循經典 CAN 仲裁的規則，而資料段則使用高位元速率傳輸。

• 在仲裁階段，最大傳輸速率是 1Mbps。所選的速率決定網路長度，速率越高，允許的網路長度越短。
• 在資料階段，最大傳輸速率不受網路長度的限制。它可以是 10Mbps 甚至更高，這取決於收發器的能力和所選的其他實體層元件，例如電纜、連接器、保護電路等。

CANXL 網路可以使用符合 ISO11898-2:2016 的任何類型的收發器，或者 CiA601-4 中規定的 CANFD SIC 信號改善收發器（例如英飛淩的 TLE9371SJ 或 TLE9371VSJ）。對於 10Mbps 以上更高的傳輸速率，將定義在 CiA610 系列中新的 CANXL-SIC 收發器可以勝任。

英飛淩最新一代 MCU，TC4 系列已經集成 CANXL controller。作為 CANXL 匯流排的過度方案，CANXL controller（TC4）搭配 CANFD SIC transceiver（TLE9371SJ 或 TLE9371VSJ） 的方案無需對目前的實體層架構進行更新，即可沿用目前的 CANFD SIC 收發器進行 CANXL 的資料傳輸。雖然此方案的通訊速率無法突破來自 CANFD SIC 收發器的限制 8Mbps，但是通過 CANXL 協定的最高 2048 位元組的資料場，彌補了 CANFD 的 64 位元組的限制，大大提升了有效資訊的傳輸效率。

而 CANXL controller（TC4）搭配 CANXL SIC transceiver 作為 CANXL 技術的最終標準方案，硬體上要求 CAN 收發器支援 SIC mode 和 FAST mode 的模式轉換功能，即支援顯性/隱性和 level_0/level_1 兩種匯流排驅動方式以達到最高 20Mbps 的傳輸速率。應用場景上，該方案可滿足 CAN 網路節點大資料傳輸的需求並且可以彌補 CAN 與 Ethernet 之間的速率差距，同時也給 CAN 與 Ethernet 之間的資料交互帶來更大的便捷性。

下圖是使用英飛淩 CANXL SIC transceiver（test chip，僅供內部測試使用）發出的一幀 CANXL 報文實體層信號。在低速的仲裁段，收發器工作在 SIC mode，通訊速率使用 500kbps；在高速的資料段，收發器工作在 FAST mode，通訊速率使用 20Mbps。

結語

作為業內主要的車載網路方案供應商，英飛淩有完整的 CAN 收發器產品家族：

• 通訊速率從 1Mbps（HS-CAN）至 5Mbps（CANFD）並進一步至 8Mbps（CANFD SIC）
• 工作模式涵蓋：普通（basic CAN），待機（Standby CAN），睡眠（Sleep CAN），局部網路（PN CAN）
• 產品封裝：8 pin, 14 pin, DSO 封裝，TSON 封裝
• 溫度等級：grade-1（-40~125℃），grade-0（-40~150℃）

CANFD SIC 信號改善收發器 TLE9371，補足了產品家族中高頻寬及振鈴抑制這一部分，能有效降低系統設計成本，簡化大型網路的設計難度。該技術從實體層保證 CANFD 協議得到有效可靠的傳輸，並且沒有副作用，為 5Mbps 及 8Mbps 的 CANFD 應用鋪平道路，同時也能作為 CANXL 匯流排的過度方案，搭配英飛淩 TC4 MCU 的 CANXL controller，實現”較低”通訊速率（最高 8Mbps）的 CANXL 匯流排應用。針對未來 CANXL SIC 收發器，英飛淩已完成相關 IP 技術儲備，將在未來適時推出適合市場應用的 CANXL SIC 收發器產品。

英飛淩的 TLE9371 系列 CANSIC 收發器已在 2023 上半年實現量產。

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