车载通信升级变革，CAN XL与以太网谁更胜一筹？

在近数十年的车载网络标准之争中，CAN凭借实时、稳定、可靠等特性从LIN、FlexRay等通信标准中脱颖而出，现在道路上的大多数车辆均搭载CAN FD。但伴随着汽车智能化时代的来临，车载以太网凭借高带宽、灵活性及较强的通用性，在车载通信领域逐渐受到关注和重视。

与此同时，第三代CAN总线CAN XL也正在不断更新换代和升级，那么CAN XL与以太网究竟谁更胜一筹？两者的优势分别是什么？Kvaser研发经理Kent Lennartsson就此撰写了本篇文章。

*Kent Lennartsson拥有38年的从业经验并且他正在参与CAN XL相关标准制定工作。

以太网的优势

使用以太网的主要原因是通过LAN和Internet与普通计算机通信时，无需任何修改即可使用通常的TCP/IP。如果只需要通过串行通信传输信息，以太网是不二之选。Windows、Linux和许多其他操作系统都包含TCP/IP和UDP等软件支持，为软件开发提供了快速通道。

实时视频传输需要使用高带宽通信信道（0.1Gbit/s至5Gbit/s）。目前使用的MIPI本质上是普通的Serdes LVDS（低压差分信号），设计用于将相机连接到外壳内的计算机。

以太网提供了一种更强大的技术，可以在相对恶劣的环境中生存。如果将以太网用于需要高带宽的相机和其他设备，那么将其用于目前通过CAN运行的低带宽信号，也是具有很大的吸引力。尽管音频和视频都具有时间关键性，但它们与大多数其他实时信号存在着一些主要区别：

◆ 信号传输不对称，来自摄像机的带宽高，但几乎没有信号传到摄像机。视频显示也是如此，但方向相反。

◆ 带宽恒定，帧率固定。

将用于视频的时间表扩展到包括其他实时信号是可能的。问题在于，在汽车中，还有大量很少出现但仍必须作为实时数据处理的参数（例如大灯开关、转向灯）。这就是出现TT-CAN和Flexray等解决方案的主要原因。以太网本身并不用于实时通信（即使速度很快），为了在以太网中提供可预测的信号，TSN被放置在以太网之上为所有关键数据提供具有最大延迟保证的预定流量。

为了减少延迟，设计了以太网收发器来支持PHY级防撞（PLCA），这是一种具有动态时隙长度的固定顺序传输。标题为“PLCA第148条概述”的文件中提供了概述和一些模拟。如本文所述，PLCA对于超过60字节的帧非常有效，但8个节点的延迟为4毫秒至8毫秒，而当CAN以1Mbit/s的速度传输任意节点时，优先级最高的包的延迟为0.25毫秒。对于每个优先级较低的数据包，还需添加0,125毫秒，这样就能在前2毫秒发送15个高优先级CAN帧。这相当于从15个节点发送120个字节，在此期间，两个10base-T1S节点传输了2500字节。但是，在所有八个节点都有机会发送信息之前，还需要6毫秒。

CAN/CAN XL的优势

实时控制系统中的串行通信比下载文件要复杂得多。CAN针对实时控制进行了优化，即使对元件公差要求低、软件有限和使用低成本布线也是如此。1983年发明CAN时，MCU（微控制器单元）具有4KiB ROM、128字节RAM和1.5%的振荡器容差。要运行以太网，需要50-ppm（百万分之一）振荡器。对于微型IP，TCP/IP软件大小约为6KiB，轻量级IP约为23KiB，而至少2KiB RAM仅允许运行较小的以太网帧。

使用LIN和CAN FD Light的主要理由是通过在没有任何软件的情况下制造组件来进一步降低硬件成本。使用不带软件或带有有限软件的产品也使获得ISO 26262等功能安全标准变得更加简单。

借助CAN XL技术，可以将已安装电缆布局的带宽和延迟优化到0,125 Mbit/s至20 Mbit/s的范围内。因此，CAN XL在小型软件、灵活性、成本和性能之间提供了极好的折衷方案。

Kvaser与CAN XL

我们在Kvaser现有的CAN/CAN-FD IP核中增加了CAN XL功能。该IP核主要用于基于FPGA的产品，但也是MCU里面一个主要的参与者。它为Kvaser的CAN XL开发奠定了基础。该设计的一个挑战在于封装尺寸的增加，这就要求CAN缓冲器具有8字节、64字节和高达2048字节的容量。还有一个主要问题是：如何有效处理混合了2048字节的长帧和少量字节的短帧？

第一步是确认IP仍然与博世CAN/CAN FD参考模型匹配，然后可以将CAN XL功能添加到现有IP核中。与将CAN FD添加到传统CAN相比，添加CAN XL功能相对容易，因为它只包含更多的CRC模块、位时序寄存器、PWM（脉宽调制）和一些稍微复杂的功能。

Kent参加在密西根底特律举办的CAN XL Plugfest测试会议

尽管没有CAN XL的参考模型，但Kvaser在与底特律CiA plugfest上出现的所有硬件进行通信时没有遇到任何问题，同时测试速率达到了20Mbit/s，现在我们仍在进行CAN XL技术相关的研究工作。

车载通信作为智能网联功能的基础，对于智能驾驶的性能提升和智能车舱服务的多样化发展都非常重要。CAN XL既保留了CAN本身的优势、特点，又能对以太网进行衔接，结合以太网等其他车载总线通信技术，将有力推动智能网联电动汽车的形态升级和业态演进。作为CAN总线专家，Kvaser在ISO等相关标准制定后，就会即刻进行相关产品的研发和生产，后续也会继续与大家分享CAN XL的最新动态。