三代CAN技术演进：从CAN CC到CAN XL的创新路径（下篇）

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#CAN #工业通信 #CAN XL

导读

CAN（Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通信协议，广泛应用于汽车和工业电子设备中，以实现不同设备间的高效数据交换。它采用多主结构，允许网络上的任何节点在任何时候发起通信，同时具备错误检测与处理功能，确保了数据传输的可靠性。

在上篇中，我们追溯了CAN技术从经典CAN（CAN CC）到CAN FD的演进历程，探索了它们如何塑造现代汽车和工业通信的面貌。现在，让我们继续深入这一话题，聚焦于CAN技术的最新篇章——CAN XL。

01 CAN技术革新：CAN XL发布

步入2024年，汽车行业迎来了CAN XL（eXtended Length）这一CAN技术的最新进步。CAN XL标志着CAN技术在数据传输能力和网络通信效率上的又一次飞跃。符合ISO 11898:2024标准及CiA 610-1规范（尽管后者已被CiA撤回），CAN XL以其卓越的性能和创新特性，无缝集成于现代汽车网络之中。

CAN XL支持高达2048字节的扩展有效载荷容量，并实现高达20 Mbit/s的比特率，有效弥合了CAN FD和以太网之间的差距。此外，CAN XL通过隧道化和映射整个以太网帧，提高了数据吞吐量而不损耗网络时间。在德国巴登举行的第五届CAN XL研讨会上（由CiA组织），CAN XL已成功通过在真实网络环境中的互操作性测试。

02 CAN XL技术的主要特点与改进

CAN XL的控制器保持了向后兼容性，能够处理CAN CC和CAN FD数据帧，确保与现有系统的无缝集成。以下是CAN XL的一些关键特性和改进：

■ 扩展的有效负载和比特率：有效负载高达2048字节，比特率高达20 Mbit/s，满足更高的数据传输要求。

■ 增强型CAN-ID字段：分为11位优先级字段和32位接受字段，提供改进的帧优先级和接受过滤。

■ 协议嵌入配置：引入了新的配置选项，如禁用错误信令和启用PWM编码，以提供更高的比特率。

■ 可靠性提高：使用两个CRC字段，控制段的13位前缀CRC和CRC段的32位帧CRC，增强错误检测和数据完整性。

CAN XL帧结构格式

在CAN XL数据帧结构中，几个关键位扮演着至关重要的角色，不仅决定了帧的类型，还确保了帧的优先级处理效率。其中，优先级标识符是设置CAN XL数据帧优先级的核心，它使得帧能够基于其优先级级别进行高效处理。

CAN XL控制字段

RRS位与XLF位的功能

RRS（远程请求替换）位与CAN CC数据帧中的RTR（远程传输请求）位，以及CAN FD数据帧中的RRS位处于相同位置，这一设计确保了不同CAN版本之间的一致性和兼容性。此外，XLF（扩展长度帧）位是区分CAN FD和CAN XL数据帧的重要标志。在CAN XL数据帧中，XLF位始终保持隐性状态，且当XLF位为隐性时，FDF（帧数据字段）位也相应地为隐性。这种配置对于在CAN网络中准确识别CAN XL数据帧至关重要。

resXL位与ADS的双重作用

resXL位被专门保留，以备未来协议框架内的扩展使用。ADS（数据序列仲裁）则承担着双重任务：一方面，它将比特率从标称比特率切换到CAN XL数据比特率；另一方面，它负责将CAN收发器模式从仲裁模式转换为数据TX模式或数据RX模式。

CAN XL控制字段

ADS由ADH、DH1、DH2和DL1位组成，其中ADH是在XL数据阶段开始前的最后一个标称位时间，以隐性位传输。随后，DH1和DH2位标志着XL数据阶段的开始，同样以隐性传输。比特率的变化恰好在ADH和DH1之间发生，而接收器同步则发生在从XLF位到前面的resXL位，以及从DH1和DH2位到DL1位的转换过程中。

SDT、SEC、DLC和SBC的详细说明

SDT（服务数据单元类型）是一个8位值，它源自LLC（逻辑链路控制）帧，而SEC（简单扩展内容）位也同样来自LLC帧。DLC（数据长度代码）跨越11位，其范围从0到2047，与1字节到2048字节之间的数据长度相对应。SBC（数据位计数）是一个3位的值，表示仲裁字段中动态填充位的数量，其范围从0到3（采用格雷编码）。

PCRC（前缀循环冗余校验）序列源自循环冗余校验（CRC），它是对包含仲裁字段、SDT、SEC位、DLC和SBC的位流进行计算得出的。值得注意的是，动态填充位（包括FDF位之前的三个位）被纳入PCRC的计算中，而静态位（如SOF、IDE、FDF、XLF、resXL、ADS和固定填充位等）则被排除在外。

VCID和AF的传递

VCID（虚拟CAN网络ID）是一个8位值，而AF（接受字段）是一个32位值，它们都从LLC帧传递而来。

CRC字段的计算

CAN XL CRC字段

CRC字段则包含了帧CRC序列和FCP（格式检查模式）。CRC计算的相关位流由仲裁字段、控制字段和数据字段组成的位流构成，排除了与PCRC相同的静态位，在CRC计算中不包括动态位和固定填充位。

ACK字段的功能

ACK字段则包括DAS（数据到仲裁序列）、ACK插槽和ACK分隔符。其中，DAH、AH1、AH2、ACK槽和ACK分隔符位均为隐性，而AL1位则为显性。

CAN XL ACK字段

DAS同样具有双重作用：它不仅能将比特率从XL数据比特率切换回标称比特率，还能在ADS中进行模式转换时，将CAN收发器模式从数据TX模式或数据RX模式转换回仲裁模式。DAS由DAH、AH1、AL1和AH2位组成，其中DAH是在标称比特时间之后的初始比特位，它以XL数据比特率表示XL数据阶段的结束。

从20世纪80年代的起源开始，CAN技术一直处于创新的前沿。CAN XL的应用范围已超出传统汽车和非汽车工程的可能性，提供了一系列超越传统界限的应用。了解CAN的历史，我们见证了CAN技术的演变和持续的技术创新。随着技术的发展，我们期待CAN XL进一步拓展CAN技术的应用范围，满足未来汽车行业的需求。

文章来源：本文内容基于Robert Nawrath在《CAN Newsletter 2024》中发表的文章。由虹科智能互联团队精心翻译并传播，旨在与业界同仁共享这一前沿技术成果。