CAN總線的發(fā)展歷程 CAN XL總線的典型應(yīng)用

CAN總線通訊協(xié)議由德國博世于上世紀80年代發(fā)明，第一個使用CAN總線通訊協(xié)議的量產(chǎn)車型是1991年的奔馳S級轎車，至今CAN總線依舊是車內(nèi)主要的通訊總線。隨著汽車電子智能化加速，CAN總線也開始進一步升級，2003年CAN總線升級為HS CAN，但還是第一代技術(shù)。2011年第二代CAN總線CAN-FD開始研發(fā)，2015年CAN FD標準即ISO11898發(fā)布，2019年，CAN FD SIC（SignalImprovement Capability）信號增強版標準CiA(CAN in Automation)601-4發(fā)布，2021年CAN FD的輕量級版本CAN FD Light 標準CiA 604-1發(fā)布，2021年12月，第三代CAN總線即CAN XL標準CiA 610-1發(fā)布，目前CAN XL的標準還未完全完成。這些新標準最終將轉(zhuǎn)換為ISO11898-2標準。

CAN總線發(fā)展歷程

來源：德州儀器

圖片來源：NXP

重大升級需要新的MCU對應(yīng)，CAN總線的升級領(lǐng)域主要是Payload，從最初的8bytes升級到2048bytes，傳輸效率大大提升，以太網(wǎng)每幀最大是1518bytes，CAN XL已經(jīng)超過了以太網(wǎng)。

圖片來源：NXP

目前，車身領(lǐng)域主要是LIN總線，氣囊安全領(lǐng)域是PSI總線，底盤、引擎、電控、電池領(lǐng)域主要是CAN總線，歐洲三大豪華車和沃爾沃底盤領(lǐng)域是FlexRay總線。CAN XL第一個取代的就是FlexRay總線，前向毫米波雷達領(lǐng)域主要是CAN-FD總線，域控制器領(lǐng)域主要是以太網(wǎng)，攝像頭與顯示領(lǐng)域主要是解串行與加串行SerDes。

驅(qū)動車內(nèi)總線發(fā)展的根源是三大任務(wù)：一是自動駕駛，二是軟件定義汽車的服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)，三是電動化。服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)（SOA）主要作用包括大幅降低軟件開發(fā)成本，縮短軟件開發(fā)周期，從按月計算變?yōu)榘葱r計算；其次是提高OTA效率，縮短OTA時間；最后是V2X或云計算。

目前比較先進的車輛已經(jīng)處于交叉域控制器時代，如蔚來的ES8，智己的LS7，寶馬的iX。特斯拉的左中右三個區(qū)域控制器表明它還是Body Zonal時代。未來將進化到SDV軟件定義汽車時代。

CAN FD的主要缺點是振鈴現(xiàn)象，信號振鈴現(xiàn)象在CAN通訊中是普遍存在的，尤其在星型拓撲結(jié)構(gòu)中當總線電平由顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)時更容易產(chǎn)生。更高的通訊速率意味著更窄的位寬時間，當前CAN FD的2Mbps相較以前HS-CAN的500kbps位寬時間由2000ns縮短為500ns。同樣強度的振鈴干擾，在更高的通訊速率下，由于得不到足夠的時間衰減到隱性差分電壓判定閾值以下，從而更容易導(dǎo)致通訊錯誤。

為減少振鈴效應(yīng)，目前主流的做法是縮小CAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，減少節(jié)點數(shù)，縮短支線長度，盡量使用線性拓撲結(jié)構(gòu)(linear topology)等。這些措施確實能有效減小振鈴強度，但也帶來了一些缺點：

增加了CAN總線數(shù)量，例如將一條10個節(jié)點的總線拆分成兩條5個節(jié)點的總線；

增加了網(wǎng)關(guān)(gateway)的需求，以應(yīng)對更多不同總線之間的信息交互；

縮短支線長度，變更拓撲結(jié)構(gòu)等措施，與整車模塊布局相沖突。

圖片來源：英飛凌

SIC信號增強技術(shù)是當總線需要從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)時，收發(fā)器首先會控制總線電平的切換斜率，這一功能在改善EMC表現(xiàn)的同時也適當降低了振鈴強度。在此之后的300ns內(nèi)收發(fā)器將總線控制在低阻抗狀態(tài)，從而徹底吸收振鈴能量。

使用SIC后，通訊速率可以提高至8Mbps，目前支持 CAN FDSIC的主要有英飛凌的TLE9371，NXP的TJA1463/1463，德州儀器的TCAN1463。

CAN FD Light僅對從命令節(jié)點接收到的CAN FD數(shù)據(jù)幀起作用，這避免了昂貴的附加電路，響應(yīng)節(jié)點不進行仲裁。通信方案是命令/響應(yīng)行為，一個命令節(jié)點控制連接的響應(yīng)節(jié)點的通信，傳輸?shù)膸螴SO 11898-1:2015中規(guī)定的CAN FD數(shù)據(jù)幀，這意味著最大有效載荷（數(shù)據(jù)段）可以達到64字節(jié)。支持ISO 11898-1:2015中指定的復(fù)雜錯誤檢測功能，但不傳輸錯誤和遠程幀。因此，數(shù)據(jù)幀的調(diào)度應(yīng)該是周期性的。這也意味著無法保證網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)一致性。如果需要，這應(yīng)該在應(yīng)用程序中解決。

CAN FD Light適用于低成本應(yīng)用，例如道路車輛的智能前照燈（smartheadlight）。連接的LED集群可以從一個命令節(jié)點單獨控制。其他潛在應(yīng)用包括：供暖（heating），通風(fēng)（ventilation），air-conditioning空調(diào)(HVAC)等系統(tǒng)。CAN FDLight規(guī)范不支持比特率切換。因此，最大比特率為1 Mbit/s，但仍比傳統(tǒng)串行通信鏈路（例如EIA 232）和網(wǎng)絡(luò)（例如LIN）更快。

CAN XL幀結(jié)構(gòu)總體與CAN FD一致，幀的頭尾是低速模式（約1MBit/s），幀主體是高速模式，高速模式和低速模式通過特定字段劃分。幀格式的簡要說明如下：

Priority ID、AF（Acceptance Field）：與CAN ID相比，CAN XL把優(yōu)先級和message ID的概念做了拆分，Priority ID用于處理優(yōu)先級，AF用于表示message ID，后文做額外說明；

XL：這個字段包含多個bit，表示此報文是標準CAN報文、CAN FD報文還是CAN XL報文（即兼容CAN、CAN FD）；

ADS（Arbitration Data Sequence）、DAS（Data Arbitration Sequence）：速率轉(zhuǎn)換的過渡字段，用于低速率轉(zhuǎn)高速率、高速率轉(zhuǎn)低速率；

SDT（SDU Type）：指示數(shù)據(jù)類型，后文做額外說明；

SEC：表示是否為加密數(shù)據(jù)，由于目前的資料有限，可能需要等CAN XL正式發(fā)布后再討論其作用與否；

SBC（Stuff Bit Count）、PCRC、FCRC、FCP（Format Check Pattern）：用于CRC校驗、錯誤檢測，由于可攜帶數(shù)據(jù)長度增加了很多，因此設(shè)計了前后2處的CRC檢驗，CRC的長度也相應(yīng)擴展；

VCID（Virtual CAN Network ID）：類似以太網(wǎng)中的VLAN。

2020年的第17屆國際CAN大會（iCC）上，CiA推出了第三代CAN通信技術(shù)CAN-XL（extra long）。CAN XL重新定義兩個數(shù)據(jù)鏈路層即LLC和MAC。

全新LLC幀格式

圖片來源：虹科電子

圖片來源：虹科電子

在經(jīng)典的CAN和CAN FD中，CAN ID段用于仲裁和尋址目的，不過在CAN XL協(xié)議中仲裁和尋址功能是分開的。

圖片來源：虹科電子

CAN XL一方面是從CAN FD衍生，繼承了CAN FD的特性（如仲裁機制、錯誤檢測等等），能很好地銜接以CAN為主的車內(nèi)通信（主要是指基于信號的通信方式）；另一方面，CAN XL對其協(xié)議做了很大的擴展，允許在CAN XL上運行TCP/IP，CAN XL期望做到對以太網(wǎng)上層協(xié)議的良好兼容（特別是面向服務(wù)的通信方式）。

低于10個節(jié)點拓撲的速率可達15Mbps。

CANXL典型應(yīng)用

圖片來源：NXP

高性能毫米波雷達是CAN XL最佳應(yīng)用場合，隨著4D毫米波雷達的大量出現(xiàn)以及角雷達都轉(zhuǎn)換為77GHz中距離雷達，毫米波雷達可以提供更多信息，早期的毫米波雷達只能提供目標速度、距離和方位角信息，且一般最多監(jiān)測8-16個目標，Mobileye設(shè)計的毫米波雷達通道數(shù)高達2000以上（特斯拉的4D毫米波雷達僅為48通道），華為的4D毫米波雷達是288通道。如此高的通道基本上就是近似16線激光雷達，可以提供目標類型、軌跡狀態(tài)、Motion Pattern、坐標方位、Velabs、Accabs，最高可監(jiān)測128-256個目標。

除了毫米波雷達，其他包括汽車標定與診斷、E-CALL緊急呼叫也是CAN XL的目標應(yīng)用領(lǐng)域。

功耗方面，CAN XL對比以太網(wǎng)優(yōu)勢明顯，當前的車載以太網(wǎng)對于休眠喚醒的深度支持大多需要I/O或者CAN端口作為控制來實現(xiàn)，這對于車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)來說顯然不夠靈活并且也產(chǎn)生額外的成本，或是需要10BBASE-T1S的PHY同樣支持TC10所定義的Sleep/Wake-up機制。而CAN XL由于繼承了CAN本身的休眠喚醒特性且可兼容CAN，有著天然的優(yōu)勢（CAN XL可以使用標準CAN報文作為喚醒信號，而無需為了適應(yīng)高速率做額外定義）。

在最新一版AUTOSAR即R22-11上，也對CAN XL做了特別對應(yīng)，無論AP還是CPU都支持CAN XL。

CAN XL目前最大的缺點是物理層還未定型，標準不夠完善，而其競爭對手車載以太網(wǎng)10Base-T1S已經(jīng)完成了所有標準，在2019年底發(fā)布了IEEE 802.3cg標準，并且ADI、Microchip已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品量產(chǎn)。

審核編輯：湯梓紅