Von CAN CC über CAN FD zu CAN XL

Die Entwicklung von CAN begann mit dem klassischen CAN-Protokoll, das mit Datenraten bis 1 Mbit/s und maximal acht Datenbytes pro Frame über viele Jahre hinweg als Standard galt. Mit der Einführung von CAN FD konnten erstmals bis zu 64 Datenbytes übertragen werden, ergänzt um eine flexible Bitratenumschaltung im Datenfeld mit Geschwindigkeiten bis zu acht Mbit/s. CAN XL führt diese Evolution konsequent fort: Das neue Protokoll erlaubt bis zu 2.048 Datenbytes pro Frame und Datenraten von bis zu 20 Mbit/s im sogenannten Mode-Switching-Betrieb. Damit schließt es die Lücke zwischen klassischen Feldbussystemen und modernen, IP-basierten Kommunikationsarchitekturen.

Struktur und Funktionsweise von CAN XL

Die wesentliche Neuerung liegt im sogenannten XL Frame Format (XLFF), das die bekannte Basisstruktur mit CAN-ID, Datenlänge und Datenbytes um zusätzliche Felder erweitert. Der 11 Bit lange Priority Identifier (PID) bleibt als Ersatz für die klassische Kennung eines CAN-Frames und wird für die Priorisierung in der Arbitrierungsphase von CAN-Frames verwendet. Die Kennung des CAN-Frames ist in das dedizierte Acceptance Field gewandert. Dazu gleich mehr.
Über das Service Data Unit Type (SDT) wird definiert, welche Art von Information transportiert wird, etwa für die Nutzung von CAN-FD-Tunneling. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bildet das Simple/Extended-Content-Bit (SEC), das den Einsatz zusätzlicher Header im Datenfeld kennzeichnet, beispielsweise für Verschlüsselung oder Fragmentierung. Die Data Length Code-Felder (DLC) beschreiben Längen bis zu 2.048 Bytes, womit deutlich größere Datenmengen pro Frame transportiert werden können als bei bisherigen CAN-Generationen. Der Overhead in Frames und in der Kommunikation insgesamt wird dadurch reduziert.
Eine besondere Rolle spielt die Virtual CAN Network ID (VCID), mit der Frames virtuellen Netzwerken zugeordnet werden können. Dies erlaubt die logische Segmentierung von Netzen, ähnlich den VLANs bei Ethernet, und unterstützt moderne zonenbasierte Fahrzeugarchitekturen. Ergänzend ermöglicht das Acceptance Field (AF) eine flexible Filterung und das Mapping von Nachrichten, etwa beim Tunneling klassischer CAN-Daten. Abgesichert wird die Übertragung durch zusätzliche CRC-Felder, die die Integrität sowohl des Protokollkopfes als auch des gesamten Frames sicherstellen.

Verkabelung und SIC-Transceiver

Ein entscheidendes Merkmal von CAN XL ist die Nutzung der bestehenden physikalischen Infrastruktur. Wie bei CAN Classic und CAN FD basiert das System auf einem Bus mit CAN-High und CAN-Low-Leitungen, der typischerweise in Linientopologie mit einer Terminierung von zwei Mal 120 Ohm ausgeführt ist. Dies erleichtert die Migration erheblich, da vorhandene Kabelbäume in vielen Fällen weiterverwendet werden können.

Abbildung 1: Die typische CAN-XL-Verkabelung

Ein weiterer Aspekt ist das sogenannte Mode Switching, das es erlaubt, im XL-Betrieb auf spezialisierte Signalübertragungen umzuschalten, um Datenraten bis zu 20 Mbit/s zu realisieren. Dabei wird der Spannungshub des Signals auf ein Volt verkleinert und Zustandswechsel auf CAN-High und CAN-Low werden im Push-Pull-Verfahren durchgeführt. Während in diesem Fast-Modus klassische Error Frames eingeschränkt sind, wird eine zuverlässige Kommunikation durch die erweiterten CRC-Felder sichergestellt. Damit vereint CAN XL die Vorteile einer hohen Datenrate mit der Robustheit der gewohnten physikalischen Übertragungsschicht. Der Wechsel auf den Fast-Modus erfolgt für den Datenteil des Frames, ähnlich wie bei CAN FD.

Abbildung 2: Das Mode Switching ermöglicht hohe Datenrate bei hoher Robustheit. Zusätzliche Felder im CAN-XL-Frame bieten strukturierte Meta-Information für die Verarbeitung in höheren Protokollschichten.

CAN XL im Rampenlicht: Vorteile und Herausforderungen

Die wichtigsten Vorteile von CAN XL liegen in der Kombination aus hoher Datenkapazität und Abwärtskompatibilität. Mit bis zu 2.048 Bytes pro Frame können nicht nur Sensordaten, sondern auch IP-Pakete effizient übertragen werden. Gleichzeitig lassen sich bestehende CAN-Infrastrukturen nutzen, sodass Mischumgebungen mit Classic, FD und XL möglich sind. Besonders wertvoll für die Zukunft ist die Möglichkeit, mit VCID virtuelle Netze zu schaffen und damit zonale Architekturen umzusetzen, die eine Lastverteilung und eine gezielte Qualitätssicherung des Datenverkehrs erlauben.

Allerdings sind mit der erweiterten Funktionalität auch Herausforderungen verbunden. Die Komplexität der Protokollauswertung steigt, und für hohe Bitraten oberhalb von acht Mbit/s ist ein Mode Switching notwendig, das klassische Mechanismen wie Error Frames einschränkt. Der Kommunikationsstandard für CAN XL (ISO 11898-1:2024) ist spezifiziert, sodass OEMs und Zulieferer nun mit der praktischen Implementierung und Integration in bestehende Architekturen beginnen können.

CAN XL oder Automotive Ethernet? Ein Vergleich

Im Vergleich zu Automotive Ethernet zeigt sich, dass CAN XL eine Zwischenstufe zwischen klassischen Bussystemen und den Hochgeschwindigkeitsnetzen darstellt. Während CAN XL Datenraten bis 20 Mbit/s ermöglicht, erreicht Ethernet im Fahrzeugbereich heute bis zu 10 Gbit/s. CAN XL bietet dafür eine deutlich größere Nutzlast als bisherige CAN-Systeme mit bis zu 2.048 Bytes, während Ethernet typischerweise eine maximale Paketgröße von 1.500 Byte aufweist. Beide Technologien setzen auf Twisted-Pair-Leitungen, unterscheiden sich jedoch in der Topologie: CAN XL bevorzugt weiterhin Linienstrukturen mit kleineren Sternen, während Ethernet in stern-, baum- oder ringförmigen Architekturen arbeitet. Während Ethernet in erster Linie für hochbandbreitige Anwendungen wie Infotainment oder zentrale Backbones genutzt wird, eignet sich CAN XL besonders für zonale Architekturen, Sensordatenverarbeitung und die Integration bestehender CAN-Umgebungen.

Tabelle 1: CAN XL im Vergleich mit Automotive Ethernet.



Anwendungsfelder von CAN XL

Ein zentrales Einsatzgebiet von CAN XL ist die Umsetzung zonaler Architekturen, bei denen Steuergeräte nicht mehr sternförmig mit einer zentralen ECU verbunden sind, sondern innerhalb von Funktionszonen kommunizieren und ihre Daten in aggregierter Form weiterleiten. Dies reduziert den Verkabelungsaufwand und unterstützt modulare Fahrzeugkonzepte. Auch als Transportmedium für CAN-FD-Nachrichten oder IP-basierte Daten kann CAN XL eine wichtige Rolle spielen, indem es Gateways ersetzt oder ergänzt. Besonders im Bereich der Fahrerassistenzsysteme und der Sensorfusion lassen sich die Vorteile der großen Nutzlasten nutzen, um Sensordaten effizient und zuverlässig zusammenzuführen und an zentrale Recheneinheiten weiterzuleiten.

Die Lösung von PEAK-System: CAN XL Starter Bundle

PEAK-System hat frühzeitig auf die Einführung von CAN XL reagiert und stellt mit dem CAN XL Starter Bundle eine umfassende Lösung für Entwickler, Tester und Integratoren bereit. Das Bundle umfasst neben dem USB-CAN-Interface PCAN-USB XL, das Mode Switching unterstützt und abwärtskompatibel zu CAN FD und CAN Classic ist, auch die notwendige Transceiver-Technologie sowie die PCAN-Basic API für die Softwareintegration. Damit erhalten Anwender nicht nur die Möglichkeit, CAN XL in gemischten Umgebungen zu erproben, sondern auch den praktischen Zugang zu Analyse-Tools und Entwicklungsumgebungen. Das Starter Bundle bildet somit den idealen Einstieg, um die Möglichkeiten von CAN XL in realen Projekten auszuloten und zukunftssichere Kommunikationsarchitekturen zu entwickeln.

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