下一代CAN通訊技術——CANXL簡介
概述
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202411/464349.htmCAN總線(Controller Area Network)是上世紀80年代開發(fā)的一種串行通訊總線。由于其高性能、易用性及高可靠性而被廣泛應用于汽車、工業(yè)控制等行業(yè)。但隨著汽車電子、工業(yè)自動化的蓬勃發(fā)展,總線上的設備數量、通訊數據量都大大增加,使得傳統(tǒng)HS-CAN (High Speed CAN)的500kbps(最高1Mbps)傳輸速率受到了極大的挑戰(zhàn)。
在上一期,我們介紹了為應對這種挑戰(zhàn)而開發(fā)的CANFD總線,以及為了應對振鈴問題,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,探討下一代CAN總線的趨勢。
市場對下一代總線CANXL的需求
在增加信息傳輸速率的基礎上,現有CAN總線的各種優(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
有效負載長度:達到或超過以太網的幀長度
在2020年第17屆國際CAN大會上CiA協(xié)會(CAN in Automation)介紹了第三代CAN通信技術CAN XL (CAN Extra Long)。CANXL是一種高度可擴展的通訊技術,其數據場長度提升至最高2048 byte。物理層仍在開發(fā)中,其目標是進一步實現高達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通過位仲裁機制解決總線的訪問權限問題,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(guī)范中定義了CANXL協(xié)議。與以太網相似,CANXL定義了兩個數據鏈路層子層:
Logical Link Control (LLC):位于OSI網絡層和Media Access Control (MAC)子層中間的層。
Media Access Control (MAC):負責將幀數據從LLC子層移動到Physical Signaling Sub-layer (PLS)子層,并通過位填充(Stuff-bits)和CRC (Cyclic Redundancy Check)來保護幀數據的傳輸。
如下圖,新的LLC幀格式可支持三代CAN協(xié)議。
其中,FDF表示這幀報文是經典CAN還是CANFD,FDF選擇了CANFD后,就可以額外選擇XLF段,進一步表示這幀報文是CANXL。根據協(xié)議格式,CANXL有如下幾個特點:
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(tǒng)工程師需要為數據分配獨一無二的優(yōu)先級ID。
2
32位接受字段AF (Acceptance Field)包含在CANXL控制器的64位硬件接受過濾器中,它可能包含節(jié)點地址或內容指示信息,可以用于包含經典CAN的高層協(xié)議。
3
服務數據單元類型SDT (Service Data-unit Type)表示這個CANXL幀使用哪個高層協(xié)議,它是在ISO7498-4:1998中描述的嵌入式(OSI)層管理信息??梢允褂靡韵骂愋偷亩x:
遺留的基于CAN的高層協(xié)議
以太網幀的隧道化
經典CAN和CANFD幀的隧道化
TCP/IP段
CANopen / CANopenFD
J1939-21/22消息
生產商自定義協(xié)議等
4
虛擬CANID (Virtual CAN network ID)字段允許運行多達256個邏輯網絡在一個單一的CANXL網絡段。這允許實現由服務數據單元類型確定的多個同構邏輯網絡,這個字段可以說是一個嵌入的(OSI)層管理信息,如ISO7498-4:1998所述。
5
數據長度編碼DLC (Data Length Code)在CANXL中增加到11位,支持最高2048字節(jié)的數據長度。
6
數據鏈路層安全指示SEC (DLL Security Indication)是一個新的位,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數據幀以兩個不同的比特速率傳輸,類似于CANFD數據幀的傳輸。低速傳輸遵循經典CAN仲裁的規(guī)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。所選的速率決定網絡長度,速率越高,允許的網絡長度越短。
在數據階段,最大傳輸速率不受網絡長度的限制。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網絡可以使用符合ISO11898-2:2016的任何類型的收發(fā)器,或者CiA601-4中規(guī)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系列已經集成CANXL controller。作為CANXL總線的過度方案,CANXL controller (TC4) 搭配CANFD SIC transceiver (TLE9371SJ或TLE9371VSJ) 的方案無需對目前的物理層架構進行更新,即可沿用目前的CANFD SIC收發(fā)器進行CANXL的數據傳輸。雖然此方案的通訊速率無法突破來自CANFD SIC收發(fā)器的限制8Mbps,但是通過CANXL協(xié)議的最高2048字節(jié)的數據場,彌補了CANFD的64字節(jié)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_1兩種總線驅動方式以達到最高20Mbps的傳輸速率。應用場景上,該方案可滿足CAN網絡節(jié)點大數據傳輸的需求并且可以彌補CAN與Ethernet之間的速率差距,同時也給CAN與Ethernet之間的數據交互帶來更大的便捷性。
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
作為業(yè)內主要的車載網絡方案供應商,英飛凌有完整的CAN收發(fā)器產品家族:
通訊速率從1Mbps (HS-CAN)至5Mbps (CANFD)并進一步至8Mbps (CANFD SIC)
工作模式涵蓋:普通(basic CAN), 待機(Standby CAN),睡眠(Sleep CAN),局部網絡(PN CAN)
產品封裝: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,補足了產品家族中高帶寬及振鈴抑制這一部分,能有效降低系統(tǒng)設計成本,簡化大型網絡的設計難度。該技術從物理層保證CANFD協(xié)議得到有效可靠的傳輸,并且沒有副作用,為5Mbps及8Mbps的CANFD應用鋪平道路,同時也能作為CANXL總線的過度方案,搭配英飛凌TC4 MCU的CANXL controller,實現”較低”通訊速率(最高8Mbps)的CANXL總線應用。針對未來CANXL SIC收發(fā)器,英飛凌已完成相關IP技術儲備,將在未來適時推出適合市場應用的CANXL SIC收發(fā)器產品。
英飛凌的TLE9371系列CANSIC收發(fā)器已在2023上半年實現量產。
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