10Mbit/s带宽的争夺：CAN-FD、10Base-T1、CANXL

汽车电子与软件 2023-06-21 13:19

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10 Mbit/s领域的争夺

在软件定义汽车的潮流下，10 Mbit/s的通信带框将重塑汽车网络。然而，随着CAN-FD-SIC、10BASE-T1S、CAN XL的出现，新的通信机制现在正被越来越多地使用。

“软件定义汽车”将决定车辆网络的未来。然而，目前大约80%的ECU仍以约10 Mbit/s的带宽进行通信。10 Mbit/s领域将未来的车辆网络中继续扮演关键的角色。因此，在这个领域有许多令人兴奋的创新也就不足为奇了。首先一起来看一下各种新的网络系统的技术细节。

CAN-FD-SIC收发器提升了CAN-FD的性能。10BASE-T1S使得控制系统中的以太网联网成为可能。通过与CAN-SIC-XL收发器相连，CAN XL在可扩展性和在车辆中使用复杂拓扑结构的可能性方面表现突出。

FlexRay

回顾一下：这一切都始于FlexRay，因为FlexRay是10 Mbit/s带宽范围内的第一个代表，最初是为线控功能设计的。FlexRay通过时分多址（TDMA）提供两个通道进行冗余通信和网络访问。然而，很快就发现FlexRay更多的作用体现在提高了比特率，而不是最初的应用初衷。但是FlexRay只为提高比特率而提供的功能过于繁琐，因为网络中的通信的时序必须预先编排好。由于每个总线参与者都必须知道自己的发送时间，在通信发生变化或扩展的情况下，必须进行大量的调整。受到影响的不仅是功能开发，而且还有车辆诊断和网络管理，需要大量的配置工作。由于这些原因，业界想知道是否可以更容易地实现更多的带宽。

让CAN变得更快：CAN FD

CAN由于其高稳定性和优雅的无延迟的网络访问，已经在工业界确立了自己的地位。正因为如此，CAN是否可以被加速的问题就显得格外突出。在总线仲裁阶段，几个参与者可以同时传输，CAN被限制在最大1Mbps的速率。即使是相距最远的两个通信参与者也必须在一个比特时间内正确检测网络中的冲突。然而，在数据发送阶段，在只有一个通信参与者在传输的情况下，比特率可以提高。因此，CAN FD的基本想法就诞生了。除了在数据发送阶段提高比特率的可能性外，CAN FD还提供了更大的数据长度，它可以达到64个数据字节，而不是像传统CAN那样只有8个字节。作为比较FlexRay提供了254字节的数据长度，但在实践中只使用了其中的40到50字节。因此，64字节似乎是CAN FD的一个优势。

在CAN FD开发的初期，人们认为用标准的CAN高速收发器可以实现大约10 Mbit/s的比特率。然而，实践表明，使用CAN FD，在线性网络中最多可以实现2 Mbit/s，在点对点连接中可以实现5 Mbit/s。对于许多应用来说，结合增加的数据长度，这已经完全足够。然而，业界希望得到更多，不仅是在比特率方面，而且在可能的网络拓扑结构方面。

CAN FD SIC提供有效的信号增强

CAN FD的比特率限制是由于网络中的反射造成的。在一个没有支线的线性网络中，网络两端的终端电阻可以抵消反射的影响。然而，一旦使用较长的支线或无源星进行组网（这在汽车工业中是很常见的）就会发生反射。这就造成了所谓的 "信号振铃(Ringing)"，即信号的振荡导致一个比特不再被正确识别（图1），因此CAN FD的限制问题是众所周知的。振铃基本上是在显性电平向隐性电平过渡时发生的。这是因为显性电平是主动产生的，而隐性电平是由网络被动产生的。CAN in Automation e.V. (CiA)的一个工作组制定了这个问题的解决方案，并在CiA601-4号文件中进行了说明，从而产生了CAN-FD-SIC收发器，这里的 "SIC "代表 "信号改进能力（Signal Improvement Capability）"。一些半导体制造商已经提供了相应的产品。

图1. 没有信号增强的CAN FD信号显示出振荡（"信号振铃"）（来源：Vector）

图2. 带有信号增强的CAN FD信号显示出明显的信号过冲现象（来源：Vector）

图3. SIC原理：主动控制的隐性电平可以减少信号的过冲（来源：Vector）

SIC收发器的信号改善来自于显性电平向隐性电平过渡时的一个短的有源相位（图2）。这些措施抑制了振荡，因此可以可靠地检测到电平（图3）。使用CAN FD-SIC收发器可以实现带有支线和星形的网络，比特率高达8 Mbit/s。

10BASE-T1S：以太网10 Mbit/s领域

汽车以太网是为ADAS/AD应用而开发的，最初的比特率是100 Mbit/s，随后是千兆和多千兆以太网。因此，用以太网将整个车辆联网是被认为是一种趋势。10 Mbit/s以太网10BASE-T1S的开发是为了将以太网带入控制系统，今天这些系统大多是用CAN（FD）或FlexRay联网的。ECU通过以太网通信，通常要通过交换机相互连接，而10BASE-T1S则提供多分叉网络，即它被设计成一条总线，因此不需要交换机。然而，就参与者的连接而言，10BASET1S相当灵活。原则上，10BASE-T1S为点对点连接提供了半双工或全双工的选择，以及在多分叉网络中的半双工操作。由于只有后一种情况在汽车环境中具有实际的重要性，这里将不讨论其他可能性。

IEEE 802.3cg标准只定义了10BASE-T1S多分叉网络的最低要求。开放联盟已经在其技术委员会的框架内为传输路径（链路段）制定了精确的定义和兼容性测试。传输是在一对双绞线的协助下进行的。总线的长度可以达到25米，并在两端用一个100欧姆的电阻进行端接。最多支持8个参与者，可以用长达10厘米的支线连接。对总线的访问基本上是在以太网典型的CSMA/CD方式（载波监听多路复用/冲突检测）下进行的：如果几个参与者同时访问总线，总线上就会出现错误，所有参与者必须重复传输。这将导致更长的、不可估量的延迟，在最坏的情况下，将导致可用带宽的大量减少。由于10BASE-T1ST技术的应用领域是专门针对控制技术领域的，与现有技术如CAN（FD）或FlexRay相比，这在实践中是一个很大的缺点。出于这个原因，一个新的方法，即物理层避免冲突（PLCA），被用于网络接入。这背后是一个灵活的时间控制机制，使用起来很简单。一个参与者，被称为 "头节点"，发送一个所谓的 "信标"。该信标标志着一个传输周期的开始（图4）。每个参与者都被分配到一个固定的传输时段，它被授权在其分配的传输时段中进行传输。这就有效地防止了总线上的访问冲突，而且距离下一个传输时段的最长时间是已知的。由于参与者不一定要用它的传输时段来传输以太网报文，所以一个周期的持续时间是不同的。

图4. PLCA传输周期：PLCA机制避免了网络中的碰撞（来源：Vector）

10BASE-T1S的优势

10BASE-T1S的优势是它可以很容易地集成到基于以太网的网络中。10BASE-T1S总线可以通过交换机连接到车辆网络的其他部分，这就省去了昂贵的网关。在软件方面，10BASE-T1S使用与更快的以太网变型相同的通信栈。这实现了整个网络的统一和一致的通信，从中央控制单元到传感器和执行器都如此。因此，面向服务的通信，例如基于SOME/IP的通信，很容易实现。PLCA网络接入方法被封装在物理传输层中，因此对软件栈来说是透明的。目前，10BASE-T1S-PHY是通过广泛和标准化的MII接口（媒体独立接口）实现的，因此它可以无缝地融入现有的以太网生态系统。开放联盟目前正在研究进一步的连接方式，类似于CAN收发器接口（图5）。在这个过程中，现有的功能模块如收发器、PLCA或CSMA/CD-MAC被组合成新的单元，由此产生的接口被标准化。这将使未来的系统更加灵活，并有助于进一步降低成本。

图5. 10BASE-T1S可能的PHY架构，现有的功能块（蓝色）被组合成新的单元。由此产生的接口（红色）是标准化的（来源：Vector）

CAN XL：CAN的下一步发展

稳健性、网络拓扑结构的灵活性以及最重要的是，非破坏性的网络接入使CAN获得了成功和普及。时间控制的系统总是需要一些通信的规划，当发生变化时，必须对几个参与者进行调整。因此，难道不可能将CAN提供的优势整合到10Mbit/s范围内的基于IP的通信吗？用户问自己这个问题，因此推出了CAN XL。为了使集成到基于IP的通信成为可能，CAN XL的数据段被扩展到2048字节，因此，数据范围可以按字节的大小从1到2048字节进行扩展。有了2048字节的数据长度，就有可能将一个以太网帧打包成一个CAN XL帧。CiA在文件CiA611-1中规定了如何做到这一点。在AUTOSAR CP R22-11中公布的CAN-XL AUTOSAR概念中也采用了这种机制。这基本上涉及到对通信堆栈的低层的调整。

CAN驱动程序能够与以太网和CAN接口一起工作。通过以太网接口，现在可以将CAN XL集成到IP通信中，从而也可以使用面向服务的协议，如SOME/IP。诸如网络管理和CAN状态管理等功能仍然通过CAN接口进行操作（图6）。这种结构允许在同一个CAN XL网络上进行SOME/IP通信和基于信号的经典CAN通信。

图6. CAN-XL AUTOSAR协议栈（来源：Vector）

CAN-FD-SIC技术使比特率高达8 Mbit/s。因此，这还不足以渗透到10 Mbit/s领域。一种新的收发器技术是必要的。这就是所谓的CAN SIC XL。用于FlexRay的技术已被作为一个标杆。为了达到大于10Mbit/s的比特率，两个电平都被主动驱动，差分电压也被降低。在CAN-XL数据段，为了实现大于10 Mbit/s的比特率，不仅要切换比特率，还要切换收发器的模式。在仲裁阶段，使用CAN-SIC技术，并采用常见的CAN电压水平。在数据段，收发器被切换到所述的快速模式。与比特率的切换相比，CAN XL是强制性的，而收发器模式的切换是可选的。这意味着，如果比特率达到8Mbit/s就足够了，CAN SIC XL收发器可以不进行模式切换，它的行为就像传统的CAN FD SIC收发器。使用CAN SIC XL收发器，在开启快速模式时，比特率可以达到20 Mbps。速率可在1-20 Mbps的范围内扩展。即使是复杂的网络拓扑结构也可以通过CAN SIC XL收发器实现。

CAN XL与CAN FD的比较

有了CAN XL和CAN FD，现在市场上有两种CAN变型。这两种变体是如何结合起来的？一个比另一个有优势吗？好消息是：CAN XL和CAN FD是兼容的，CAN FD节点可以在CAN XL网络中运行。然而，兼容性要求使用CAN FD收发器、CAN-FD-SIC收发器或CAN-SIC-XL收发器，后者无需使用快速模式。在收发器快速模式下，只能进行CAN XL通信。

本文部分图文引用自《汽车电子》杂志

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