CAN/CAN FD/CAN XL三大总线协议解读，是逐步替代关系吗？

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）在软件定义汽车逐渐成为主流的当下，数据传输的速度和效率成为打造智能汽车的瓶颈，在这种大背景下，传统CAN总线应对一些需求已经相当吃力，因此CAN FD和CAN XL逐渐进入核心市场。

不过，从市场表现来看，目前CAN/CAN FD/CAN XL各有各的市场，并非逐步取代的关系，背后的原因是什么呢？
 

CAN/CAN FD/CAN XL协议解读

CAN（Controller Area Network，控制器局域网总线）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，最初由博世公司开发，是汽车领域中最广泛应用的网络协议之一。与I2C、SPI等具有时钟信号的同步通讯方式不同，CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它可以使用双绞线来传输信号，CAN_High和CAN_Low两条信号线共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通信。
 
在物理层，CAN协议有两种形式，一种是遵循ISO11898标准的高速、短距离的“闭环网络”总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps；一种是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离“开环网络”，最大传输距离为1km，最高通讯速率为125kbps。
 
CAN FD是一种能够与CAN 2.0 A/B兼容，但通信速率更高、有效载荷更高的总线协议。CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate）是“可变速率的CAN”，是对传统CAN协议的增强。CAN FD继承了CAN的绝大多数特性，如同样的物理层，双线串行通信协议，基于非破坏性仲裁技术，分布式实时控制，可靠的错误处理和检测机制等。同时，CAN FD也有很多创新，比如CANFD允许单帧数据长度从8字节增加到64字节，并且数据段的传输速率最高可达8 Mbps，从而显著提高了数据传输的效率和灵活性。由于CAN FD是向后兼容的，因此现有设备和系统可以逐步从CAN升级到CAN FD。
 
CAN XL（Controller Area Network eXtended Length）是CAN FD的进一步扩展，旨在进一步增加数据传输速率和灵活性。CAN XL是汽车总线技术演化分支之一，即通过技术升级来提升速率和带宽。2024年3月22日，ISO推出11898-2：2024版本，使得CAN总线的最高速率由CANFD行业认可的8Mbps提速到最高20Mbps，数据最多2048byte，填补了CAN和以太网之间的性能差距。
 
从技术实现来看，CAN XL作为CAN通信技术的最新进展，在PCS和PMA子层中增加了PWM编/解码机制，用以在高速数据传输时切换PMA子层的总线驱动方式由显性/隐性变为level_0/level_1以达到20Mbit/s的传输速率。
 

传统CAN总线依然拥有巨大的市场空间

随着20Mbps CAN XL协议的发布，高速CAN和低速CAN之间的分别更加明显，很多过往基于传统CAN协议实现高速传输的应用，将逐步过渡到CAN FD和CAN XL，例如高级驱动辅助系统（ADAS）和无人驾驶系统（AV）等，当然这些应用也有很多会选择更高传输速率的以太网，以太网的传输速率可以达到100Mbps。
 
不过，在低速CAN应用领域，传统CAN的地位是非常稳固的，并且协议依然会继续迭代，主要为了进一步提升故障容忍能力和安全性能，以应对更加复杂的车身控制需求。传统CAN应用将逐步聚焦于控制应用。
 
比如，在车身电子系统里，CAN FD和CAN XL这么高的速率和数据量是冗余过度的，如果采用了就会带来巨大的成本压力，因此传统CAN依然是主要选择之一。在车身电子系统里，传统CAN协议可用于车窗控制、电动门锁、空调控制、灯光管理等，这些应用使用CAN总线进行内部和外部设备的数据交换，最终实现和驾乘人员的交互。
 
再比如发动机控制单元和变速器控制，这些单元从传统汽车时代到智能车时代，控制逻辑和数据量的变化非常微小，也不需要CAN FD和CAN XL进行大幅度的速率升级。具体到发动机控制单元，要实现的功能是监控和控制发动机的各种参数，例如转速、温度、气压和油耗等，这些功能传统CAN协议可以很好地应对。
 
那么，既然高速CAN和低速CAN是一种并存的状态，两者之间在系统中如何兼容呢，这就要求CANFD和CAN XL在仲裁段需要和传统CAN保持一样的速率，进而完成数据的切换。
 

结语

从传统CAN到CANFD和CAN XL，CAN协议的性能在显著提升，和以太网之间的差距也越来越小。不过，CAN总线协议之间并不是一种替代的关系，而是要兼容共存，更高速率CAN协议的演化是为了满足更多新的功能，而传统功能只需要CAN协议就够了，如果全部换成CANFD和CAN XL，甚至是以太网，那么造车的成本压力会非常大，且没有必要。