隨著汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步，汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也經(jīng)歷了從簡單到復(fù)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(luò)（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(shí)時(shí)性，迅速成為汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)管理、車身控制等多個(gè)領(lǐng)域。然而，隨著汽車電子設(shè)備數(shù)量的激增和功能的日益復(fù)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(luò)技術(shù)。十多年之前以太網(wǎng)技術(shù)的引入為汽車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來了新的機(jī)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(luò)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(luò)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(shí)間；

對于AI技術(shù)的引入，需要給算力平臺(tái)提供更多實(shí)時(shí)整車數(shù)據(jù)

因此網(wǎng)絡(luò)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(biāo)志著在技術(shù)上已經(jīng)走向成熟。新CAN標(biāo)準(zhǔn)無論是在物理通信速率上、網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)有：

傳輸速率能夠達(dá)到20Mbit/s

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

支持以太網(wǎng)透傳，支持當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)架構(gòu)應(yīng)用中的優(yōu)勢，以及未來可能的發(fā)展方向。通過對這一領(lǐng)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(dòng)軟件定義整車變革的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

將SOA架構(gòu)推廣至整車網(wǎng)絡(luò)中

SOA是一種軟件設(shè)計(jì)方式，在SOA中服務(wù)由應(yīng)用組件通過網(wǎng)絡(luò)上的通信協(xié)議提供給其他組件使用。其原理獨(dú)立于供應(yīng)商和其他技術(shù)，SOA是將軟硬件和EEA進(jìn)行抽象的一種方法，其關(guān)鍵的就在于設(shè)備抽象化與軟件的復(fù)用性。

當(dāng)前由于通信協(xié)議的限制，SOA架構(gòu)往往只在Ethernet網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)。在上文中可以看到在整個(gè)整車網(wǎng)絡(luò)中，還有大量控制器節(jié)點(diǎn)采用的是CAN通信的方式，如果未來需要支持SOA服務(wù)化，那么CANXL將會(huì)既能兼容當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)接口，CanIf與EthIf同時(shí)能夠訪問CAN XL Driver。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)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(luò)中，當(dāng)然CAN網(wǎng)絡(luò)中并不是所有的通信節(jié)點(diǎn)必須支持SOA，開發(fā)人員可以根據(jù)自身的設(shè)計(jì)目標(biāo)逐步推廣。

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

來源：Vector

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

提高整車時(shí)間同步整體性能

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

圖 3 以太網(wǎng)與CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)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?yàn)橛幸蕴W(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(shí)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(shí)間同步的解決方案。

圖 4 CANXL能夠兼容兩種AUTOSAR時(shí)間同步協(xié)議

來源：博世

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

增強(qiáng)整車安全冗余性

隨著自動(dòng)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)?；茝V的時(shí)間表。同時(shí)，國內(nèi)外車廠在底盤線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)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(jìn)一步提升安全冗余的系統(tǒng)架構(gòu)。那么，對于網(wǎng)絡(luò)通信同樣需要討論這一話題。在主干網(wǎng)絡(luò)形成以車載以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)作為主要設(shè)計(jì)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(luò)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(dòng)駕駛場景，需要考慮“最小風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)采取哪些措施，以及是否存在冗余決策單元進(jìn)行決策控制，將至關(guān)重要。同時(shí)，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(luò)的設(shè)計(jì)也需納入考慮。當(dāng)前，感知傳感器方面，攝像頭主要采用SerDes接口，激光雷達(dá)以以太網(wǎng)為主，而毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)則主要依賴CAN網(wǎng)絡(luò)。如何設(shè)計(jì)這些安全冗余性系統(tǒng)將由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者決定，但基于CAN網(wǎng)絡(luò)通信的解決方案將是最具性價(jià)比的選擇。

圖 5 自動(dòng)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(luò)性能的總結(jié)來看，CANXL基于當(dāng)下在整車CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力較大下，具有明顯的改善作用；且網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(fù)載性能指標(biāo)與理論接近、延遲與抖動(dòng)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(diǎn)的數(shù)據(jù)幀矩陣，滿足降低總線負(fù)載為目的

以上層應(yīng)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(jìn)行合并。則前后對比發(fā)現(xiàn)總線負(fù)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(dòng)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(shè)計(jì)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(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)信號定義，最大數(shù)據(jù)為360字節(jié)（遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)最大2024字節(jié)）。延遲與抖動(dòng)性能又進(jìn)一步降低。

在國內(nèi)市場，汽車正經(jīng)歷從電動(dòng)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(yīng)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(kuò)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(luò)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(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得車輛內(nèi)部各個(gè)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(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)智能駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)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(luò)設(shè)計(jì)的要求愈發(fā)嚴(yán)格，必須重點(diǎn)關(guān)注性能、安全性和可持續(xù)性等關(guān)鍵評價(jià)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(kuò)展和技術(shù)升級提供了更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這不僅關(guān)乎用戶體驗(yàn)，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(yīng)對市場需求變化，推動(dòng)行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。