下一代CAN通訊技術(shù)——CANXL簡(jiǎn)介

概述

CAN總線(xiàn)(Controller Area Network)是上世紀80年代開(kāi)發(fā)的一種串行通訊總線(xiàn)。由于其高性能、易用性及高可靠性而被廣泛應用于汽車(chē)、工業(yè)控制等行業(yè)。但隨著(zhù)汽車(chē)電子、工業(yè)自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展，總線(xiàn)上的設備數量、通訊數據量都大大增加，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(kāi)發(fā)的CANFD總線(xiàn)，以及為了應對振鈴問(wèn)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(lái)，探討下一代CAN總線(xiàn)的趨勢。

市場(chǎng)對下一代總線(xiàn)CANXL的需求

在增加信息傳輸速率的基礎上，現有CAN總線(xiàn)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：在數據段的傳輸速率最大可達10Mbps甚至20Mbps

• 有效負載長(cháng)度：達到或超過(guò)以太網(wǎng)的幀長(cháng)度

在2020年第17屆國際CAN大會(huì )上CiA協(xié)會(huì )(CAN in Automation)介紹了第三代CAN通信技術(shù)CAN XL (CAN Extra Long)。CANXL是一種高度可擴展的通訊技術(shù)，其數據場(chǎng)長(cháng)度提升至最高2048 byte。物理層仍在開(kāi)發(fā)中，其目標是進(jìn)一步實(shí)現高達10Mbps甚至20Mbps的傳輸速率。

CANXL協(xié)議層

CANXL是對HSCAN和CANFD的進(jìn)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據段。仲裁段仍使用500kbps至1Mbps的低速率，但數據段的傳輸速率提升至最高20Mbps。CANXL通過(guò)位仲裁機制解決總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)權限問(wèn)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規范中定義了CANXL協(xié)議。與以太網(wǎng)相似，CANXL定義了兩個(gè)數據鏈路層子層：

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

• Media Access Control (MAC)：負責將幀數據從LLC子層移動(dòng)到Physical Signaling Sub-layer (PLS)子層，并通過(guò)位填充(Stuff-bits)和CRC (Cyclic Redundancy Check)來(lái)保護幀數據的傳輸。

如下圖，新的LLC幀格式可支持三代CAN協(xié)議。

其中，FDF表示這幀報文是經(jīng)典CAN還是CANFD，FDF選擇了CANFD后，就可以額外選擇XLF段，進(jìn)一步表示這幀報文是CANXL。根據協(xié)議格式，CANXL有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

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，這些函數是分開(kāi)的。11位優(yōu)先級ID子字段(Priority ID)提供了CANXL數據幀的唯一優(yōu)先級分配，系統工程師需要為數據分配獨一無(wú)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(guò)濾器中，它可能包含節點(diǎn)地址或內容指示信息，可以用于包含經(jīng)典CAN的高層協(xié)議。

3

服務(wù)數據單元類(lèi)型SDT (Service Data-unit Type)表示這個(gè)CANXL幀使用哪個(gè)高層協(xié)議，它是在ISO7498-4:1998中描述的嵌入式(OSI)層管理信息?？梢允褂靡韵骂?lèi)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(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò )在一個(gè)單一的CANXL網(wǎng)絡(luò )段。這允許實(shí)現由服務(wù)數據單元類(lèi)型確定的多個(gè)同構邏輯網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)字段可以說(shuō)是一個(gè)嵌入的(OSI)層管理信息，如ISO7498-4:1998所述。

5

數據長(cháng)度編碼DLC (Data Length Code)在CANXL中增加到11位，支持最高2048字節的數據長(cháng)度。

6

數據鏈路層安全指示SEC (DLL Security Indication)是一個(gè)新的位，表示在數據鏈路層使用了額外的數據安全協(xié)議。

CANXL物理層

CANXL數據幀以?xún)蓚€(gè)不同的比特速率傳輸，類(lèi)似于CANFD數據幀的傳輸。低速傳輸遵循經(jīng)典CAN仲裁的規則，而數據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(luò )長(cháng)度，速率越高，允許的網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度越短。

• 在數據階段，最大傳輸速率不受網(wǎng)絡(luò )長(cháng)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(luò )可以使用符合ISO11898-2:2016的任何類(lèi)型的收發(fā)器，或者CiA601-4中規定的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(xiàn)的過(guò)度方案，CANXL controller (TC4) 搭配CANFD SIC transceiver (TLE9371SJ或TLE9371VSJ) 的方案無(wú)需對目前的物理層架構進(jìn)行更新，即可沿用目前的CANFD SIC收發(fā)器進(jìn)行CANXL的數據傳輸。雖然此方案的通訊速率無(wú)法突破來(lái)自CANFD SIC收發(fā)器的限制8Mbps，但是通過(guò)CANXL協(xié)議的最高2048字節的數據場(chǎng)，彌補了CANFD的64字節的限制，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(shù)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(xiàn)驅動(dòng)方式以達到最高20Mbps的傳輸速率。應用場(chǎng)景上，該方案可滿(mǎn)足CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)大數據傳輸的需求并且可以彌補CAN與Ethernet之間的速率差距，同時(shí)也給CAN與Ethernet之間的數據交互帶來(lái)更大的便捷性。

下圖是使用英飛凌CANXL SIC transceiver (test chip，僅供內部測試使用)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；在高速的數據段，收發(fā)器工作在FAST mode，通訊速率使用20Mbps。

結語(yǔ)

作為業(yè)內主要的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )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(jìn)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(luò )(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，能有效降低系統設計成本，簡(jiǎn)化大型網(wǎng)絡(luò )的設計難度。該技術(shù)從物理層保證CANFD協(xié)議得到有效可靠的傳輸，并且沒(méi)有副作用，為5Mbps及8Mbps的CANFD應用鋪平道路，同時(shí)也能作為CANXL總線(xiàn)的過(guò)度方案，搭配英飛凌TC4 MCU的CANXL controller，實(shí)現”較低”通訊速率(最高8Mbps)的CANXL總線(xiàn)應用。針對未來(lái)CANXL SIC收發(fā)器，英飛凌已完成相關(guān)IP技術(shù)儲備，將在未來(lái)適時(shí)推出適合市場(chǎng)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(shí)現量產(chǎn)。