10Mbit/s帶寬的爭奪：CAN-FD、10Base-T1、CANXL

汽車電子與軟件 2023-06-21 13:19

KDES 2026上海峰會：定義下一代工程仿真 測試中斷？接觸漂移？5 道題找到根因

10 Mbit/s領域的爭奪?

在軟件定義汽車的潮流下，10 Mbit/s的通信帶框將重塑汽車網絡。然而，隨著CAN-FD-SIC、10BASE-T1S、CAN XL的出現，新的通信機制現在正被越來越多地使用。

“軟件定義汽車”將決定車輛網絡的未來。然而，目前大約80%的ECU仍以約10 Mbit/s的帶寬進行通信。10 Mbit/s領域將未來的車輛網絡中繼續扮演關鍵的角色。因此，在這個領域有許多令人興奮的創新也就不足為奇了。首先一起來看一下各種新的網絡系統的技術細節。

CAN-FD-SIC收發器提升了CAN-FD的性能。10BASE-T1S使得控制系統中的以太網聯網成為可能。通過與CAN-SIC-XL收發器相連，CAN XL在可擴展性和在車輛中使用復雜拓撲結構的可能性方面表現突出。

FlexRay??

回顧一下：這一切都始于FlexRay，因為FlexRay是10 Mbit/s帶寬范圍內的第一個代表，最初是為線控功能設計的。FlexRay通過時分多址（TDMA）提供兩個通道進行冗余通信和網絡訪問。然而，很快就發現FlexRay更多的作用體現在提高了比特率，而不是最初的應用初衷。但是FlexRay只為提高比特率而提供的功能過于繁瑣，因為網絡中的通信的時序必須預先編排好。由于每個總線參與者都必須知道自己的發送時間，在通信發生變化或擴展的情況下，必須進行大量的調整。受到影響的不僅是功能開發，而且還有車輛診斷和網絡管理，需要大量的配置工作。由于這些原因，業界想知道是否可以更容易地實現更多的帶寬。

讓CAN變得更快：CAN FD ?

CAN由于其高穩定性和優雅的無延遲的網絡訪問，已經在工業界確立了自己的地位。正因為如此，CAN是否可以被加速的問題就顯得格外突出。在總線仲裁階段，幾個參與者可以同時傳輸，CAN被限制在最大1Mbps的速率。即使是相距最遠的兩個通信參與者也必須在一個比特時間內正確檢測網絡中的沖突。然而，在數據發送階段，在只有一個通信參與者在傳輸的情況下，比特率可以提高。因此，CAN FD的基本想法就誕生了。除了在數據發送階段提高比特率的可能性外，CAN FD還提供了更大的數據長度，它可以達到64個數據字節，而不是像傳統CAN那樣只有8個字節。作為比較FlexRay提供了254字節的數據長度，但在實踐中只使用了其中的40到50字節。因此，64字節似乎是CAN FD的一個優勢。

在CAN FD開發的初期，人們認為用標準的CAN高速收發器可以實現大約10 Mbit/s的比特率。然而，實踐表明，使用CAN FD，在線性網絡中最多可以實現2 Mbit/s，在點對點連接中可以實現5 Mbit/s。對于許多應用來說，結合增加的數據長度，這已經完全足夠。然而，業界希望得到更多，不僅是在比特率方面，而且在可能的網絡拓撲結構方面。

CAN FD SIC提供有效的信號增強??

CAN FD的比特率限制是由于網絡中的反射造成的。在一個沒有支線的線性網絡中，網絡兩端的終端電阻可以抵消反射的影響。然而，一旦使用較長的支線或無源星進行組網（這在汽車工業中是很常見的）就會發生反射。這就造成了所謂的 "信號振鈴(Ringing)"，即信號的振蕩導致一個比特不再被正確識別（圖1），因此CAN FD的限制問題是眾所周知的。振鈴基本上是在顯性電平向隱性電平過渡時發生的。這是因為顯性電平是主動產生的，而隱性電平是由網絡被動產生的。CAN in Automation e.V. (CiA)的一個工作組制定了這個問題的解決方案，并在CiA601-4號文件中進行了說明，從而產生了CAN-FD-SIC收發器，這里的 "SIC "代表 "信號改進能力（Signal Improvement Capability）"。一些半導體制造商已經提供了相應的產品。

圖1. 沒有信號增強的CAN FD信號顯示出振蕩（"信號振鈴"）（來源：Vector）

圖2. 帶有信號增強的CAN FD信號顯示出明顯的信號過沖現象（來源：Vector）

圖3. SIC原理：主動控制的隱性電平可以減少信號的過沖（來源：Vector）

SIC收發器的信號改善來自于顯性電平向隱性電平過渡時的一個短的有源相位（圖2）。這些措施抑制了振蕩，因此可以可靠地檢測到電平（圖3）。使用CAN FD-SIC收發器可以實現帶有支線和星形的網絡，比特率高達8 Mbit/s。

10BASE-T1S：以太網10 Mbit/s領域???

汽車以太網是為ADAS/AD應用而開發的，最初的比特率是100 Mbit/s，隨后是千兆和多千兆以太網。因此，用以太網將整個車輛聯網是被認為是一種趨勢。10 Mbit/s以太網10BASE-T1S的開發是為了將以太網帶入控制系統，今天這些系統大多是用CAN（FD）或FlexRay聯網的。ECU通過以太網通信，通常要通過交換機相互連接，而10BASE-T1S則提供多分叉網絡，即它被設計成一條總線，因此不需要交換機。然而，就參與者的連接而言，10BASET1S相當靈活。原則上，10BASE-T1S為點對點連接提供了半雙工或全雙工的選擇，以及在多分叉網絡中的半雙工操作。由于只有后一種情況在汽車環境中具有實際的重要性，這里將不討論其他可能性。

IEEE 802.3cg標準只定義了10BASE-T1S多分叉網絡的最低要求。開放聯盟已經在其技術委員會的框架內為傳輸路徑（鏈路段）制定了精確的定義和兼容性測試。傳輸是在一對雙絞線的協助下進行的。總線的長度可以達到25米，并在兩端用一個100歐姆的電阻進行端接。最多支持8個參與者，可以用長達10厘米的支線連接。對總線的訪問基本上是在以太網典型的CSMA/CD方式（載波監聽多路復用/沖突檢測）下進行的：如果幾個參與者同時訪問總線，總線上就會出現錯誤，所有參與者必須重復傳輸。這將導致更長的、不可估量的延遲，在最壞的情況下，將導致可用帶寬的大量減少。由于10BASE-T1ST技術的應用領域是專門針對控制技術領域的，與現有技術如CAN（FD）或FlexRay相比，這在實踐中是一個很大的缺點。出于這個原因，一個新的方法，即物理層避免沖突（PLCA），被用于網絡接入。這背后是一個靈活的時間控制機制，使用起來很簡單。一個參與者，被稱為 "頭節點"，發送一個所謂的 "信標"。該信標標志著一個傳輸周期的開始（圖4）。每個參與者都被分配到一個固定的傳輸時段，它被授權在其分配的傳輸時段中進行傳輸。這就有效地防止了總線上的訪問沖突，而且距離下一個傳輸時段的最長時間是已知的。由于參與者不一定要用它的傳輸時段來傳輸以太網報文，所以一個周期的持續時間是不同的。

圖4. PLCA傳輸周期：PLCA機制避免了網絡中的碰撞（來源：Vector）

10BASE-T1S的優勢??

10BASE-T1S的優勢是它可以很容易地集成到基于以太網的網絡中。10BASE-T1S總線可以通過交換機連接到車輛網絡的其他部分，這就省去了昂貴的網關。在軟件方面，10BASE-T1S使用與更快的以太網變型相同的通信棧。這實現了整個網絡的統一和一致的通信，從中央控制單元到傳感器和執行器都如此。因此，面向服務的通信，例如基于SOME/IP的通信，很容易實現。PLCA網絡接入方法被封裝在物理傳輸層中，因此對軟件棧來說是透明的。目前，10BASE-T1S-PHY是通過廣泛和標準化的MII接口（媒體獨立接口）實現的，因此它可以無縫地融入現有的以太網生態系統。開放聯盟目前正在研究進一步的連接方式，類似于CAN收發器接口（圖5）。在這個過程中，現有的功能模塊如收發器、PLCA或CSMA/CD-MAC被組合成新的單元，由此產生的接口被標準化。這將使未來的系統更加靈活，并有助于進一步降低成本。

圖5. 10BASE-T1S可能的PHY架構，現有的功能塊（藍色）被組合成新的單元。由此產生的接口（紅色）是標準化的（來源：Vector）

CAN XL：CAN的下一步發展??

穩健性、網絡拓撲結構的靈活性以及最重要的是，非破壞性的網絡接入使CAN獲得了成功和普及。時間控制的系統總是需要一些通信的規劃，當發生變化時，必須對幾個參與者進行調整。因此，難道不可能將CAN提供的優勢整合到10Mbit/s范圍內的基于IP的通信嗎？用戶問自己這個問題，因此推出了CAN XL。為了使集成到基于IP的通信成為可能，CAN XL的數據段被擴展到2048字節，因此，數據范圍可以按字節的大小從1到2048字節進行擴展。有了2048字節的數據長度，就有可能將一個以太網幀打包成一個CAN XL幀。CiA在文件CiA611-1中規定了如何做到這一點。在AUTOSAR CP R22-11中公布的CAN-XL AUTOSAR概念中也采用了這種機制。這基本上涉及到對通信堆棧的低層的調整。

CAN驅動程序能夠與以太網和CAN接口一起工作。通過以太網接口，現在可以將CAN XL集成到IP通信中，從而也可以使用面向服務的協議，如SOME/IP。諸如網絡管理和CAN狀態管理等功能仍然通過CAN接口進行操作（圖6）。這種結構允許在同一個CAN XL網絡上進行SOME/IP通信和基于信號的經典CAN通信。

圖6. CAN-XL AUTOSAR協議棧（來源：Vector）

CAN-FD-SIC技術使比特率高達8 Mbit/s。因此，這還不足以滲透到10 Mbit/s領域。一種新的收發器技術是必要的。這就是所謂的CAN SIC XL。用于FlexRay的技術已被作為一個標桿。為了達到大于10Mbit/s的比特率，兩個電平都被主動驅動，差分電壓也被降低。在CAN-XL數據段，為了實現大于10 Mbit/s的比特率，不僅要切換比特率，還要切換收發器的模式。在仲裁階段，使用CAN-SIC技術，并采用常見的CAN電壓水平。在數據段，收發器被切換到所述的快速模式。與比特率的切換相比，CAN XL是強制性的，而收發器模式的切換是可選的。這意味著，如果比特率達到8Mbit/s就足夠了，CAN SIC XL收發器可以不進行模式切換，它的行為就像傳統的CAN FD SIC收發器。使用CAN SIC XL收發器，在開啟快速模式時，比特率可以達到20 Mbps。速率可在1-20 Mbps的范圍內擴展。即使是復雜的網絡拓撲結構也可以通過CAN SIC XL收發器實現。

CAN XL與CAN FD的比較??

有了CAN XL和CAN FD，現在市場上有兩種CAN變型。這兩種變體是如何結合起來的？一個比另一個有優勢嗎？好消息是：CAN XL和CAN FD是兼容的，CAN FD節點可以在CAN XL網絡中運行。然而，兼容性要求使用CAN FD收發器、CAN-FD-SIC收發器或CAN-SIC-XL收發器，后者無需使用快速模式。在收發器快速模式下，只能進行CAN XL通信。

本文部分圖文引用自《汽車電子》雜志

—END—

添加下方信加入汽專業交流群

（僅限專業人士，添加備注單位+姓名）