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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