【E/ETec2023】博世张剑龙：第三代CAN通信技术及其应用

智车引擎更新于 2023-10-20 09:08:06

10月10日，由NE时代（NE Times）和纽伦堡国际博览集团（Nürnberg Messe）联合举办的“E/ETec2023新一代智能汽车电子电气架构技术大会”在上海顺利召开。

博世汽车电子事业部半导体业务资深产品经理张剑龙受邀参加，并在现场做了题为《第三代CAN通信技术及其应用》的演讲，《智车引擎》整理了张剑龙先生分享的内容，略有删改，以飨读者。

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以下是演讲实录：

大家好，我是博世汽车电子事业部半导体业务产品经理，今天我将给大家介绍第三代CAN的通信技术及其应用。

我相信熟悉汽车通信的朋友应该都知道，博世是CAN通信协议的主要发明者，从标准CAN到CAN FD再到今天分享的CAN XL。刚才很多同行提到电子电气架构的时候，都提到了CAN的下一代CAN XL，我很感谢今天有这个机会跟大家分享一下，CAN XL具体长什么样子，以及CAN XL有什么新的功能。

我的话题有几个部分，包括CAN XL的关键指标，以及目前标准化的进展情况，CAN XL的优势和它的应用场景。

当我们谈论一个通信协议时可能首先关心的是速率以及带宽。

首先，CAN XL的速率上限是20兆比特/秒，基本是当前CAN FD主流速率的4-10倍左右的提升，当然实际能够达到的速率还取决于网络拓扑和收发器的能力。CAN XL协议可以兼容当前市面上的CAN收发器；其次，带宽，CAN XL最高可以支持到2048字节也就是2K的数据量，这跟之前的CAN FD有很大的区别。好处是一帧报文可以加载更大的信息量，我们甚至可以把以太网协议数据放到一帧CAN XL报文中去传输；第三，CAN XL不是跳跃式的变化，而是增量的升级，CAN XL允许和CAN FD在同样的一条总线里共存，也就是所谓的混合网络，但这个混合网络的速率上限是8兆比特/秒，主要是受物理层的电平格式以及收发器能力的限制。

第四、第五讲的是可拓展性和丰富的生态。CAN XL的性价比比较高，从速率上看，CAN XL处在10-20兆的范围，虽然和10兆以太网10Base-T1S看似处在同一个速率空间，但从成本的角度，CAN XL可以沿用CAN的所有生态和工具，包括器件、接插件、线束、调试工具等。CAN XL可选择的器件比较多，市面上多家MCU或transceiver都支持CAN XL协议和速率。这是CAN XL相对有优势的地方。

目前市面上MCU，比如英飞凌的，ST的，基本从2024年开始会陆续有量产带CAN XL功能的芯片，支持到20兆的收发器芯片基本在明年也会看到相应的产品，当然也可以使用当前市面上支持5兆或者8兆的收发器。

另外，工具和软件，这些产品目前也已经成熟了。包括AUTOSAR，如果大家关注AUTOSAR去年底发布的R22-11的CP标准，增加了CAN XL的驱动，明确规范了CAN XL驱动的交互形式，它既可以跟传统的CAN的协议栈进行交互，同时也可以跟以太网协议栈进行无缝交互。

第二部分，我们看目前标准化的状态。

首先介绍一个组织CiA。主要是牵头做CAN、CAN FD以及CAN XL技术规范的讨论和定义。CiA组织在CAN的技术或协议的定义上是非常积极，成员有很多我们熟悉的整车厂、零部件厂商、半导体公司和工具商。这里提一下，CiA的CAN XL工作组SIG的主席来自博世。除此之外，ISO11898的规范也都有很多博世的同事参与和贡献。

CiA的规范完成后，会推到ISO国际标准化组织做ISO标准化。CAN XL在CiA这边已经发布的主要是两个协议，一个是L2层的数据链路层，也就是我们通常讲的通信协议层，还有一个是L1物理层收发器的规范。这两个标准在2021年年底左右CiA就完成了定义并且发布了规范。后面2022年包括今年都是在做ISO的国际的标准化的流程，其中包括ISO成员单位的修改建议等。预计今年年底ISO11898-1，L2层的数据链路层，和ISO11898-2，L1层的物理层，会在今年年底发布，预计会命名为ISO11898-1（2023版）和ISO11898-2（2023版）。

第三部分，我们看下CAN XL的优势。

这里想探讨的是，CAN XL在电子电气架构中有哪些优势？怎样应用到现在的或者未来的电子电气架构中？

我们用区域架构作为一个例子。

我们刚才讲过CAN XL可以跟CAN FD在同样一个网络里共存，我们管它叫混合网络。也就是说做升级的时候，无需整条网络的ECU升级到CAN XL，而是可以通过一步步渐进式的方式，一个件或几个件去升级。假设这是一个区域架构，这是区域控制器，连接了很多的传感器、执行器，有的是CAN FD的，有的可能需要升级到更高带宽或速率。

CAN XL协议里其实新增了一些特殊的比特位，这些比特位可以做一些比较有意思的事情。举个例子，CAN XL新增了SDT（Service Data Unit Type）比特位，它标识该报文的数据场中协议类型，比如在这个场景中，Zone ECU下面的某些ECU需要运行以太网或者SoA协议栈，这时就可以通过CAN XL的以太网隧道（Tunneling）通信功能将一些高级协议比如TCP/IP, SOME/IP的数据通过CAN XL来传输，在上层软件上不需要做改变，这就是刚才提到的AUTOSAR对CAN XL驱动层规范的交互机制。另外，CAN XL协议还新增了VCID（Virtual CAN ID）比特位，可以用它将同一总线中的CAN XL报文标识成不同的应用。

那CAN XL到底能做成什么样的网络？

CiA牵头的兼容性测试做过很多的场景测试，包括总线型的，点对点的，菊花链的，包括星形的或双星形的网络，比如总线型28米和支线长度40公分的情况下，可以实现20兆比特/秒的速率。

第四部分，CAN XL的应用案例。

这里面有一些是我们根据CAN XL的优点归纳的，也有一些是跟整车厂共同讨论出来的场景。

第一，从CAN FD升级到CAN XL的一些场景，好处是可以沿用当前CAN FD的网络，包括线束、接插件等，都不用变，CAN FD和CAN XL可以共存的混合网络。低成本、低风险地实现快速OTA的升级的场景。

其次，还可以把CAN FD包在一个CAN XL里边，CAN XL可以携带一帧甚至多帧CAN FD进行传输。

第三，CAN XL可以跟以太网做一个比较无缝的衔接，即以太网隧道通信（Ethernet Tunnelling），像我刚才讲到的AUTOSAR已经规范了CAN XL驱动和上层协议栈的交互机制。

第四，可以做一个second backbone。今天有很多专家和同事展示了很多电子电气架构总线拓扑结构，其中很多会做second backbone。比如，你有一个主干网是以太网，但还会有一条CAN FD，或上一位嘉宾提到的用到FlexRay等这样的场景，这样的场景下的second backbone可以用CAN XL，提高带宽和速率。

最后，是ready for SoA。因为CAN XL新增了VCID，SDT等比特位，CAN XL可以携带以太网协议的数据，为SoA的场景做了比较好的基础。

总而言之，从成本角度来看，在速率不需要达到以太网百兆的时候，其实可以用CAN XL。包括现在已经用CAN FD的场景进行升级的时候，CAN XL就是一个不错的选择，充分发挥CAN的鲁棒性、信号完整性等特点。

总结一下——

CAN XL是CAN的第三代技术，可以达到20兆比特/秒和携带2048bytes的数据，在20兆速率范围内是比较经济高效的解决方案。CAN XL的设计可以沿用当前CAN的很多经验，比如硬件设计、器件等，包括工程师的经验以及一些调试工具等，跟之前的CAN FD都是一样的。另外，CAN XL和CAN FD的互操作性，因为CAN XL可以跟CAN FD共存，可以同时在一个混合网络中。

而且，升级到CAN XL非常容易。因为据我们了解，现在所有收发器试图在做新的产品，也就是支持CAN XL 20兆比特/秒的收发器，都会跟当前的收发器管脚兼容，也就是说PCB的layout不会有太多改变。