CANXL标准发布 | (1)一文读懂CANXL数据链路层总线，通信再进化！

2024年3月22日，期待已久的ISO 11898-2：2024版本横空出世，标志着新一代CAN总线的时代即将到来（ISO/FDIS 11898-1：2023也处于最终投票阶段）。搭载着2048Byte的CANXL列车已蓄势待发，决心突破10M的高速通道。Autosar、英飞凌、ST、Vector和NXP等行业风向标早已准备迎接CANXL高速通道给整车SoA架构带来新的变革。

1、第三代CAN总线（CANXL）

CAN XL（Controller Area Network eXtended Length）作为CAN通信技术的最新进展，展现了显著的优势和广阔的应用前景。它旨在填补CAN FD与以太网之间的空白，成为车载网络通信的重要补充。

CAN XL目前的发展状态和优势

• 高数据传输速率：CAN XL支持高达20 Mbit/s的数据传输速率，显著高于CAN FD的8 Mbps上限，满足了现代汽车和其他应用中对高速数据传输的需求 。
• 更大的数据字段长度：CAN XL允许的数据字段长度最大可达2048字节，远超过CAN FD的64字节限制，适用于需要传输大量数据的应用。
• 兼容性和灵活性：CAN XL与现有CAN和CAN FD技术兼容，允许在同一网络上共存，形成混合网络。这为现有的CAN系统向CAN XL的升级提供了便利 。
• 标准化和生态支持：CAN XL的标准化工作正在积极推进，CiA牵头的610-1和CiA610-3规范已发布。ISO目前也已发布CAN XL的ISO_DIS11898-1 和 ISO 11898-2标准。此外，AUTOSAR的CAN XL标准已发布。同时CAN XL得到了汽车Tier1和芯片厂商的广泛支持。例如，博世、英飞凌、恩智浦等知名厂商已推出基于CAN XL的MCU产品，且多数处于样品阶段。此外，是德科技等工具供应商也推出了适用于CAN XL协议的测试设备。
• 应用前景：CAN XL适用于多种应用场景，包括需要更高带宽的应用、支持面向服务的架构（SOA）的应用以及安全应用。其成本效益高，能够在结合CAN和以太网功能的同时，保持CAN的低价格优势。

CANXL & OSI 模型

由于CANXL数据段支持2048Byte数据量的传输，所有在OSI协议栈上CANXL技术理论上可以适配以太网的高层协议，比如SOME/IP和TCP/IP等以太网协议。但是，具体的以太网协议兼容还需要更进一步的验证。

除此之外，CANXL也在PCS和PMA子层之间增加了PWM编解码机制，用以切换PMA子层的两种总线驱动方式（显性/隐性 && level0/level1）以达到20Mbit/s的传输速率。

2、CANXL帧结构

仲裁场

• SOF、ID、IDE（CANXL无扩展帧）、RRS（禁用远程帧）、FDF字段与CANFD一致
• XLF字段：用以区分是否为CANXL帧

控制场

• reXEL：保留位
• ADH、DH1、DH2和DL1（ADS）：模式转换和速率转换字段，由SIC mode切换为FAST mode。CANXL收发器包含两种总线驱动方式（显性/隐性 && level0/level1），并在仲裁场采用显性/隐性驱动和数据场采用level0/level1。（PMA模式转换由PCS子层发送PWM编码控制）
• SDT、SEC和DLC字段：指出数据段数据类型（类似以太网Type字段）；功能保留位；指明数据场长度
• SBC字段：指明SOF和仲裁场bit填充数（动态bit填充）
• PCRC字段：前向CRC校验（仲裁场、reXEL、ADS、SDT、SEC、DLC和SBC）
• VCID：虚拟CAN网络ID（类似以太网VLAN）
• AF：用于寻址功能，具体内容取决于SDT（e.g. SDT=0x05时，AF为以太网目的MAC地址）

数据场

• Data字段：CANXL数据段，可封装以太网上层协议（e.g. TCP/IP...）

CRC场

• FCRC字段：用于整帧CRC校验
• PCP：格式检验字段

ACK场

• DAH、AH1、AL1和AH2字段（DAS）：模式转换和速率转换字段，由FAST mode切换为SIC mode
• ACK字段：用于确认报文被成功接收

3、PCS&PWM编码

CAN XL物理编码子层（PCS）与CAN FD的PCS子层类似，负责数据帧的发送和接收，进行信号编码和解码，错误检测和处理，信号调制和解调，物理层参数管理（如比特率、位定时、同步等），以及与PMA子层交互等功能。

但是，CANXL在PCS子层和PMA子层之间引入PWM编码机制，以实现PMA子层两种总线驱动方式的切换。

PWM编码是一种采用长相和短相来区分PWM符号的编码机制。如图所示，在发送机上，TXD会以上升沿开始，并先发送短相在发送长相。在接收机上，RXD会以下降沿开始，并先发送短相在发送长相。

4、总结

在应用场景方面，CAN XL可以用于多种网络拓扑，包括总线型、点对点、菊花链、星形或双星形网络。它还支持与以太网的无缝衔接，可以通过更大数据段传输高层协议数据。此外，CAN XL的新增比特位，如SDT（Service Data Unit Type）和VCID（Virtual CAN ID），使其能够更好地适配SOA架构的发展趋势。

总体而言，CAN XL作为CAN技术的下一代，以其高数据传输速率、大容量、兼容性和经济性等优势，在汽车电子电气架构中展现出巨大的应用潜力。

经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术的工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。