CAN-FD引入了更快的比特率，在數(shù)據(jù)階段可設(shè)置為高達(dá)5Mbit/s，但其后果是由于信號振鈴而受到嚴(yán)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制。這就使CAN-FD局限于線性網(wǎng)絡(luò)，限制了設(shè)計(jì)的自由度，增加了布線和系統(tǒng)成本。所以，在2020年的第17屆國際CAN大會(huì)（iCC）上，CiA推出了第三代CAN通信技術(shù)CAN-XL（extra long）。

CAN-XL是一種高度可擴(kuò)展的通信技術(shù)，涉及比特率和數(shù)據(jù)字段的長度，物理層仍在開發(fā)中。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高達(dá)10+Mbit/s的比特率。CAN-XL針對面向區(qū)域的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠以最優(yōu)的長度滿足未來車載網(wǎng)絡(luò)的要求。

汽車工業(yè)試圖減少布線，以最小化重量，或者換句話說，是限制能耗。CAN-XL通過保持CAN協(xié)議的優(yōu)勢（例如無損仲裁的沖突解決），為高達(dá)10Mbit/s的數(shù)據(jù)速率提供了出色的解決方案， 填補(bǔ)了CAN-FD與100BASE-T1之間的空白。

它主要有以下幾個(gè)核心期望特性。

1.有效負(fù)載長度：?與以太網(wǎng)幀長度一樣。

2.可靠性：?等于或者優(yōu)于CAN，CAN-FD和10Mbit/s以太網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.魯棒性：?與CAN-FD一樣好，甚至要優(yōu)于10Mbit/s以太網(wǎng)。

4.波特率：?在數(shù)據(jù)段的傳輸速率至少大于10Mbit/s。

5.兼容性：?向后兼容CAN-FD。

CAN-XL是對CAN和CAN-FD的進(jìn)一步擴(kuò)展，并且在很大程度上遵循相同的運(yùn)行原理。CAN報(bào)文分為仲裁段和數(shù)據(jù)段，盡管CAN-XL在仲裁段使用500kbit/s至1Mbit/s的低速率，但數(shù)據(jù)段的傳輸速率卻可提升至2Mbit/s至10Mbit/s。相對于CAN-FD的可選速率切換功能，CAN-XL能夠強(qiáng)制執(zhí)行速率切換。?

CAN-XL協(xié)議

此外，總線訪問仍舊采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突解決方案），通過位仲裁解決總線訪問權(quán)限問題。CAN-XL遵循嚴(yán)格的優(yōu)先級概念，允許更重要的消息無延遲地傳輸。CAN-XL僅支持11位標(biāo)識符ID，不再使用29位標(biāo)識符ID，憑借用于報(bào)頭和幀以及格式檢查的漢明距離6算法，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，?shí)際上勝過FlexRay和以太網(wǎng)的CRC功能。

然而，對于未來的應(yīng)用而言重要的不僅僅是提高數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN-XL主要功能之一是數(shù)據(jù)段支持1～2048Byte的可變長度。在必要時(shí)，可將以太網(wǎng)幀打包為CAN-XL消息，直接或間接通過CAN-XL使用IP通信技術(shù)。

第3代 CAN-XL 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議關(guān)鍵功能如下：

1.傳輸數(shù)據(jù)最多可達(dá)2048字節(jié)；

2.包含高層協(xié)議管理信息；

3.使用兩個(gè)CRC檢驗(yàn)段用于提升可靠性；

4.其傳輸位速率達(dá)到10 Mbit/s；

5.支持所有3種CAN協(xié)議，經(jīng)典CAN、CAN-FD和CAN-XL，保留與CAN2.0和CAN-FD的互操作性；

6.支持集成到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

CAN-XL重新定義數(shù)據(jù)鏈路層，分為兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路子層CAN-XL與以太網(wǎng)相似，CAN標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898系列）規(guī)定了兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層子層：LLC層和MAC層。

LLC子層：?位于OSI網(wǎng)絡(luò)層和MAC子層的中間層。LLC幀結(jié)構(gòu)包含所有的CAN幀格式和類型需要的內(nèi)容。

MAC子層：?負(fù)責(zé)將幀數(shù)據(jù)從LLC子層移動(dòng)到PMA子層，通過位填充（stuffbits）和CRC來保證幀的傳輸。

在發(fā)送過程中，LLC幀被轉(zhuǎn)換為一個(gè)MAC幀。在接收時(shí)MAC幀被轉(zhuǎn)換為一個(gè)LLC幀。在LLC幀中未被用于所選的CAN幀格式的部分內(nèi)容將被忽略。

從頂層看，CAN控制器支持CAN-XL，CAN-FD和經(jīng)典CAN，所以需要支持3種數(shù)據(jù)格式，其軟件接口如圖所示。

新的LLC幀格式

有了優(yōu)先級ID、遠(yuǎn)程幀和擴(kuò)展幀指示，F(xiàn)DF位表示使用CAN-FD協(xié)議而不是經(jīng)典CAN；選擇了FDF段，就可以選擇額外使用包含很多內(nèi)容的XLF段，表示支持CAN-XL。

根據(jù)CAN XL LLC幀格式，可以總結(jié)出如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1、CAN-XL數(shù)據(jù)需要傳輸一個(gè)11位的優(yōu)先級ID，表示數(shù)據(jù)在總線上的優(yōu)先級。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要為數(shù)據(jù)分配獨(dú)一無二的優(yōu)先級ID；

2、FDF位會(huì)一直是顯性的；

3、XLF位會(huì)一直是顯性的；

4、服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）類型表示這個(gè)CAN-XL幀使用那個(gè)高層協(xié)議；

5、數(shù)據(jù)鏈路層安全指示（SEC）是一個(gè)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；

6、數(shù)據(jù)長度編碼（DLC），在CAN-FD和經(jīng)典CAN中也有，它的長度是4位。在CAN-XL中是11位，為了傳輸更多的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以有2048個(gè)字節(jié)；

7、虛擬CAN ID和SDU類型一樣是新的字段。虛擬CAN ID可以使完全不同的應(yīng)用運(yùn)行在同一條電纜上。例如這一幀用于這個(gè)應(yīng)用，下一幀用于另外一個(gè)應(yīng)用，可以使用分開不同的通道。虛擬ID在以太網(wǎng)中很常見；

8、接收段（AF），首先這是正式的CAN ID，有時(shí)直接使用29位ID，可以在這里提供用戶希望收到的內(nèi)容，也可以用作保證字段，像經(jīng)典CAN一樣表示數(shù)據(jù)的內(nèi)容或者節(jié)點(diǎn)地址信息。無論用戶想要什么，都可以將其放入接收字段；

9、LLC數(shù)據(jù)字段的幀可以包含最多2048字節(jié)數(shù)據(jù)，最小字節(jié)為1字節(jié)，所以不能像經(jīng)典CAN和CAN-FD一樣發(fā)送0字節(jié)的數(shù)據(jù)。

正如上面提到CAN ID和CAN-FD和經(jīng)典CAN不一樣，在經(jīng)典CAN和CAN-FD中，CAN ID字段（11位或29位）用于仲裁和尋址目的。而在CAN-XL中，這些函數(shù)是分開的。11位優(yōu)先級ID子字段（priority ID sub-field）提供了CAN-XL數(shù)據(jù)幀的唯一優(yōu)先級分配。32位接收字段（acceptance field）包含在CAN-XL控制器的64位硬件接收過濾器中，它可能包含節(jié)點(diǎn)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。

數(shù)據(jù)服務(wù)單元（SDU）是一個(gè)新的內(nèi)容，和以太網(wǎng)的EtherType類似。OSI層管理信息符合ISO 7498-4：1998，這是一個(gè)舊的協(xié)議，將它內(nèi)嵌到XL幀中，可以提供更多的應(yīng)用。在SDT中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供使用高層協(xié)議的信息，可以是傳輸層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議或應(yīng)用層協(xié)議。例如：遺留的基于CAN的高層協(xié)議；以太網(wǎng)幀的隧道化，可以傳輸以太網(wǎng)幀，使過程更加平滑和簡單；經(jīng)典CAN和CAN-FD幀的隧道化，將經(jīng)典CAN和CAN-FD幀轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)局域網(wǎng)，CAN-XL作為骨干網(wǎng)使用；TCP/IP段；CAN open/CAN open FD；J1939-21/22消息；生產(chǎn)商自定義協(xié)議等。

虛擬CAN-ID和SDT雖然有些類似，但也有一定的區(qū)別。虛擬CAN-ID的目的是在電纜上運(yùn)行不同的應(yīng)用，帶寬和長度足以用于更多的數(shù)據(jù)。例如，可以同時(shí)上傳或下載兩個(gè)不同的應(yīng)用程序，支持256個(gè)不同的虛擬通道，某種程度上也屬于網(wǎng)絡(luò)層信息。所以，可同時(shí)使用一幀用于某個(gè)應(yīng)用程序，另一幀用于另一個(gè)程序或一組應(yīng)用程序。

對于數(shù)據(jù)鏈路層，CAN-XL支持專有的協(xié)議?？刂谱侄沃械腟EC位表示這個(gè)CAN-XL數(shù)據(jù)幀是否使用CADsec協(xié)議。CADsec協(xié)議具有一個(gè)4字節(jié)的header，包含密碼控制信息、CAN安全通道ID和一個(gè)新鮮度值。16字節(jié)的trailer包含128位身份驗(yàn)證標(biāo)記。這個(gè)功能目前尚在開發(fā)中，還需要芯片制造商的支持。

經(jīng)典CAN、CAN-FD和CAN-XL幀的區(qū)別如圖所示。

經(jīng)典CAN、CAN-FD和CAN-XL幀的比較

1. 幀起始

幀起始和幀結(jié)束是作為不變的部分。

2.仲裁段

在仲裁段中存在如下內(nèi)容：

（1）優(yōu)先級ID：11位優(yōu)先級ID字段負(fù)責(zé)分配唯一優(yōu)先級仲裁的CAN XL數(shù)據(jù)幀。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要保證優(yōu)先級ID對于不同幀是唯一的；

（2）RRS：用于填充遠(yuǎn)程幀；

（3）IDE：用于指示是否使用29位ID；

（4）FDF：FDF指示使用2個(gè)波特率；

（5）XLF：用于指示是否使用新了XL協(xié)議。

3.控制段

控制段在經(jīng)典CAN和CAN-FD中很短，在CAN-XL中有更多的功能，需要更多的位去控制XL幀。

控制段中包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

（1）R1：保留的R1位，用于未來第四代CAN的開發(fā)；

（2）ADS：并不是協(xié)議的一部分，只是切換比特率，為了正確切換到快速波特率，長度需要4位。傳輸使用快速波特率，可以達(dá)到10Mbit/s或者更高；

（3）SDT：服務(wù)數(shù)據(jù)單元；

（4）SEC：安全位；

（5）DLC：數(shù)據(jù)長度編碼；

（6）SBC：填充位計(jì)數(shù)器，這個(gè)在CAN-FD協(xié)議就已經(jīng)有了，用于計(jì)算填充位的數(shù)據(jù)；

（7）PCRC：CRC多項(xiàng)式校驗(yàn)，PCRC是13位，它提供的漢明距離為6，意味著可以檢測出在CRC字段之前5個(gè)隨機(jī)分布的錯(cuò)誤。在CAN-XL中可以進(jìn)行單次發(fā)送，可以停止傳輸并表明需要處理一個(gè)錯(cuò)誤；

（8）VCID：虛擬CAN ID；

（9）AF接收段，有32位長，在控制段的結(jié)尾，不需要經(jīng)典CAN和CAN-FD的地址信息。

4.數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段最大長度為2048字節(jié)。

5.CRC段

數(shù)據(jù)段受CRC段保護(hù)，CRC段提供32位的幀CRC，在全部2048字節(jié)的漢明距離也為6，比其他網(wǎng)絡(luò)要好。檢查模式用于檢測幀中某一位的錯(cuò)誤。因?yàn)閮蓚€(gè)CRC是級聯(lián)的，所以FCRC也保護(hù)PCRC，全部的FCRC和PCRC保證了高可靠性的通信系統(tǒng)。

6.ACK段

經(jīng)典CAN和CAN-FD是2位，CAN-XL有6位，多出來的4位用于將不同節(jié)點(diǎn)從高速度重新同步到低速度。DAS字段中的第一個(gè)是DAH位，它是作為邏輯1發(fā)送的。通過該位，將CAN-XL SIC中的收發(fā)器模式切換回SIC模式。ACK位和ACK界定符同之前的協(xié)議一樣。

7.幀結(jié)束

幀結(jié)束段包含7個(gè)隱性位，表示已經(jīng)準(zhǔn)備好并且?guī)呀?jīng)發(fā)送完畢。

CAN-XL有很多變化，需要更多位，所以幀頭開銷更大，數(shù)據(jù)也變得更長長。使用CAN-XL僅傳輸一個(gè)字節(jié)的話，效率會(huì)非常低。如果使用所有的2048個(gè)字節(jié)，例如下載軟件，效率會(huì)很高。

CAN-XL的物理層會(huì)有些不同，使用經(jīng)典CAN收發(fā)器速率會(huì)被限制在1Mbit/s，CAN-FD收發(fā)器速率會(huì)被限制在2Mbit/s或者2Mbit/s，使用CAN SIC收發(fā)器，速率可以達(dá)到8Mbit/s。

目前正在開發(fā)CAN-XL SIC收發(fā)器，速率可以達(dá)到10Mbit/s以上，2023年4月CAN XLPlugfest會(huì)議上Kvaser成功演示了20Mbit/s的速度。CAN-XL SIC收發(fā)器必須支持MICI接口（medium-independent CAN interface，介質(zhì)無關(guān)CAN接口），當(dāng)采用MICI接口時(shí)，可以向下兼容之前的CAN-FD，也給半導(dǎo)體商和工具開發(fā)商提供更多靈活的實(shí)現(xiàn)方案。目前研發(fā)中的芯片MICI接口是和收發(fā)器芯片在一起的，MICI用于連接CAN-XL控制器和CAN-XL SIC收發(fā)器，它基于TX的單路經(jīng)PWM信號而工作。

MICI接口

CiA規(guī)定了CAN-XL控制器（CIA 610-1）和CAN-XL SIC收發(fā)器（CIA 610-3），CAN-XL控制器可以連接到所有提供AUI或MICI接口標(biāo)準(zhǔn)化CAN收發(fā)器技術(shù)。CAN SIC XL收發(fā)器有兩個(gè)工作模式：SIC mode模式；Fast TX /RX mode模式。

CAN-XL傳承自經(jīng)典的CAN和CAN-FD，并縮小了CAN/CAN-FD與Ethernet之間的傳輸速度和耦合的差距。在合適的應(yīng)用領(lǐng)域中，CAN-XL可以采用更小巧更便宜的控制器。利用高達(dá)2048Byte的有效數(shù)據(jù)長度，CAN-XL為將來傳輸以太網(wǎng)幀和利用IP通信提供所需的功能。這意味著CAN-XL和10base-T1S可以共同在基于信號的通信和面向服務(wù)的通信之間提供連接。通過對協(xié)議層進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣归_，將為應(yīng)用提供更豐富的可能性。

審核編輯：湯梓紅

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