隨著汽車工業(yè)的不斷進步，汽車網(wǎng)絡技術(shù)也經(jīng)歷了從簡單到復雜、從低帶寬到高帶寬的演變過程。最初，汽車內(nèi)部的電子控制單元（ECU）之間的通信主要依賴于控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線。CAN總線于1980年代由博世公司開發(fā)，旨在提高汽車電子系統(tǒng)的可靠性和效率。它以其高抗干擾能力和實時性，迅速成為汽車行業(yè)的標準通信協(xié)議，廣泛應用于發(fā)動機管理、車身控制等多個領域。然而，隨著汽車電子設備數(shù)量的激增和功能的日益復雜，傳統(tǒng)的CAN總線在數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬方面逐漸顯露出局限性。為了滿足日益增長的智能化功能需求，汽車行業(yè)參與者們開始探索更高效的網(wǎng)絡技術(shù)。十多年之前以太網(wǎng)技術(shù)的引入為汽車網(wǎng)絡的發(fā)展帶來了新的機遇。以太網(wǎng)以其高帶寬、靈活性和成熟的生態(tài)系統(tǒng)，逐漸成為汽車網(wǎng)絡的重要組成部分。

隨著智能化水平的不斷提升，如何升級汽車網(wǎng)絡技術(shù)來滿足整車開發(fā)需求：

對于新功能，需要縮短從研發(fā)到量產(chǎn)時間；

對于AI技術(shù)的引入，需要給算力平臺提供更多實時整車數(shù)據(jù)

因此網(wǎng)絡技術(shù)無論是以太網(wǎng)還是CAN總線都需要對高帶寬、低延遲、高安全性的性能要求持續(xù)提升予以關(guān)注與投入。CAN XL作為下一代的CAN技術(shù)已經(jīng)在2024版更新的 ISO11898-1，ISO11898-2中正式支持，標志著在技術(shù)上已經(jīng)走向成熟。新CAN標準無論是在物理通信速率上、網(wǎng)絡協(xié)議兼容性上都將助力汽車智能化、軟件定義汽車的趨勢。

其主要技術(shù)特點有：

傳輸速率能夠達到20Mbit/s

支持大數(shù)據(jù)傳輸，單幀數(shù)據(jù)能夠達到2048字節(jié)

支持以太網(wǎng)透傳，支持當前車載以太網(wǎng)常用協(xié)議，例如：TCP/IP，SOME/IP等

圖 1 CAN物理層與數(shù)據(jù)鏈路層在ISO標準組織中

來源：www.iso.org， a：表示只有CAN XL支持

在接下來的文章中，我們將深入探討CANXL對于在整車網(wǎng)絡架構(gòu)應用中的優(yōu)勢，以及未來可能的發(fā)展方向。通過對這一領域的深入了解，我們可以更好地把握汽車行業(yè)的未來趨勢。

驅(qū)動軟件定義整車變革的網(wǎng)絡技術(shù)

將SOA架構(gòu)推廣至整車網(wǎng)絡中

SOA是一種軟件設計方式，在SOA中服務由應用組件通過網(wǎng)絡上的通信協(xié)議提供給其他組件使用。其原理獨立于供應商和其他技術(shù)，SOA是將軟硬件和EEA進行抽象的一種方法，其關(guān)鍵的就在于設備抽象化與軟件的復用性。

當前由于通信協(xié)議的限制，SOA架構(gòu)往往只在Ethernet網(wǎng)絡下實現(xiàn)。在上文中可以看到在整個整車網(wǎng)絡中，還有大量控制器節(jié)點采用的是CAN通信的方式，如果未來需要支持SOA服務化，那么CANXL將會既能兼容當下以信號為主的CAN通信方式，還能夠以IP為主的SOA通信協(xié)議。

在AUTOSAR R23-11已經(jīng)集成支持CAN XL的標準接口，CanIf與EthIf同時能夠訪問CAN XL Driver。同時在網(wǎng)絡協(xié)議商Vector中也提出了支持基于SOME/IP協(xié)議基于CANXL的解決方案。這樣能夠有效地拓展SOA協(xié)議至CAN網(wǎng)絡中，當然CAN網(wǎng)絡中并不是所有的通信節(jié)點必須支持SOA，開發(fā)人員可以根據(jù)自身的設計目標逐步推廣。

圖 2 采用SOME/IP與SOME/CAN的CAN網(wǎng)絡架構(gòu)

來源：Vector

“ IP Concepts With CAN XL-Transformation of SOME/IP towards SOME/CAN”

提高整車時間同步整體性能

在整車網(wǎng)絡架構(gòu)中，網(wǎng)絡各個節(jié)點之間需要持續(xù)精準協(xié)調(diào)與控制需要牽涉到時間同步問題，而在當下以以太網(wǎng)與CAN網(wǎng)絡作為主要參與總線技術(shù)背景下，其時間同步策略如圖3所示?？梢钥吹皆谝蕴W(wǎng)與CAN網(wǎng)絡之間存在著時鐘網(wǎng)關(guān)，需要在軟件層面進行時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此將會產(chǎn)生時間延遲等誤差。

圖 3 以太網(wǎng)與CAN網(wǎng)絡時間同步架構(gòu)示意圖

來源：AUTOSAR

“Specification of Time Synchronization over CAN”

在CAN XL的技術(shù)方案中因為有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)透傳技術(shù)所以可以采用基于以太網(wǎng)協(xié)議的時間同步技術(shù)。且在第二層數(shù)據(jù)鏈路層通過硬件完成，將為大大降低從Ethernet轉(zhuǎn)發(fā)至CAN XL總線上的轉(zhuǎn)發(fā)延遲。圖 4為基于CANXL技術(shù)下可以支持時間同步的解決方案。

圖 4 CANXL能夠兼容兩種AUTOSAR時間同步協(xié)議

來源：博世

CC：Classic CAN，F(xiàn)D：CANFD，XL：CAN XL

增強整車安全冗余性

隨著自動駕駛輔助系統(tǒng)越來越普及以及端到端AI大模型在車內(nèi)使用的推廣，國內(nèi)車廠已明確了未來規(guī)模化推廣的時間表。同時，國內(nèi)外車廠在底盤線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應用以及國家法規(guī)對于線控轉(zhuǎn)向要求的明確與落地同樣加速未來整車的進一步提升安全冗余的系統(tǒng)架構(gòu)。那么，對于網(wǎng)絡通信同樣需要討論這一話題。在主干網(wǎng)絡形成以車載以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡作為主要設計方案之后，如何保證車輛決策控制單元與核心執(zhí)行層控制單元的安全有效通信將成為主要考慮因素。正如圖 2所展現(xiàn)的，決策控制單元至執(zhí)行控制單元的網(wǎng)絡鏈接更多是采用CAN通信連接，那么提升以及增加CAN通信帶寬、硬件接口將是簡單有效的措施。

此外，對于L3以上的自動駕駛場景，需要考慮“最小風險操縱”（Minimum Risk Manoeuvre，MRM），即潛在的極端失效場景。如果決策單元出現(xiàn)異常，系統(tǒng)應采取哪些措施，以及是否存在冗余決策單元進行決策控制，將至關(guān)重要。同時，冗余決策單元在此場景下也需要獲取環(huán)境感知信息，因此冗余感知通信網(wǎng)絡的設計也需納入考慮。當前，感知傳感器方面，攝像頭主要采用SerDes接口，激光雷達以以太網(wǎng)為主，而毫米波雷達和超聲波雷達則主要依賴CAN網(wǎng)絡。如何設計這些安全冗余性系統(tǒng)將由系統(tǒng)設計者決定，但基于CAN網(wǎng)絡通信的解決方案將是最具性價比的選擇。

圖 5 自動駕駛高階冗余系統(tǒng)

可以從CANXL得到的收益

從CARIAD SE在CiA發(fā)表的關(guān)于提升至CANXL的網(wǎng)絡性能的總結(jié)來看，CANXL基于當下在整車CAN網(wǎng)絡負載壓力較大下，具有明顯的改善作用；且網(wǎng)絡設計優(yōu)化較為簡單靈活。

場景一：兩條CANFD總線合到一條CANXL總線

兩條CAN FD總線（500kbit/s仲裁段速率和5Mbit/s數(shù)據(jù)段速率）通信數(shù)據(jù)幀直接合并到一條CAN XL總線上（500kbit/s仲裁段速率，10Mbit/s和20Mbit/s數(shù)據(jù)段速率）。從下圖可以看到在CANXL上的總線負載性能指標與理論接近、延遲與抖動也與CANFD表現(xiàn)一致。

圖 6 CANFD 數(shù)據(jù)直接合并后在 CANXL 性能前后對比

來源：CARIAD SE

“Migrating from Flexray to CAN XL”

www.can-cia.org

左圖為原始CANFD參數(shù)性能

右圖是CANFD、CANXL(10M)、CANXL(20M)的性能比較

場景二：在CANXL總線上優(yōu)化發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)幀矩陣，滿足降低總線負載為目的

以上層應用端傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)化為主，把優(yōu)先級接近的、循環(huán)周期接近的數(shù)據(jù)幀進行合并。則前后對比發(fā)現(xiàn)總線負載在10Mbit/s下比優(yōu)化前降低超過50%，在20Mbit/s下降低接近70%，在延遲與抖動方面由于數(shù)據(jù)幀數(shù)量減少也帶來性能提升。

圖 7 CANXL數(shù)據(jù)幀設計優(yōu)化后，性能前后對比

來源：CARIAD SE

“Migrating from Flexray to CAN XL”

www.can-cia.org

場景三：在CANXL總線上采取ALL in 1

每個發(fā)送節(jié)點都使用一條數(shù)據(jù)幀，以原先最高優(yōu)先級以及最短發(fā)送周期構(gòu)建。根據(jù)當前的網(wǎng)絡信號定義，最大數(shù)據(jù)為360字節(jié)（遠小于設計最大2024字節(jié)）。延遲與抖動性能又進一步降低。

在國內(nèi)市場，汽車正經(jīng)歷從電動化向智能化的快速轉(zhuǎn)型，整車電子電氣架構(gòu)也在不斷優(yōu)化以適應這一趨勢。新技術(shù)和新功能的引入要求解決方案具備向下兼容性和持續(xù)可擴展性，以滿足未來發(fā)展的需求。在這一背景下，CAN XL作為下一代汽車網(wǎng)絡通信技術(shù)，不僅提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的帶寬，還支持更復雜的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，使得車輛內(nèi)部各個電子控制單元（ECU）之間的通信更加高效和靈活。這一技術(shù)的應用將進一步推動智能駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等新興應用的發(fā)展，提升車輛的智能化水平。

在日益激烈的市場競爭中，網(wǎng)絡設計的要求愈發(fā)嚴格，必須重點關(guān)注性能、安全性和可持續(xù)性等關(guān)鍵評價因素。CAN XL的引入，不僅提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃裕€為未來的功能擴展和技術(shù)升級提供了更為堅實的基礎。這不僅關(guān)乎用戶體驗，也直接影響到整車競爭力的持續(xù)提升。通過采用CAN XL技術(shù)，汽車制造商能夠更好地應對市場需求變化，推動行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。