La prochaine évolution de la communication CAN

Depuis plus de trente ans, le Controller Area Network (CAN) est l'épine dorsale de la communication dans les véhicules et de nombreuses applications industrielles. En commençant par le CAN classique, qui a établi un système de bus robuste et économique, la technologie a ensuite été étendue avec CAN FD pour permettre une transmission de données plus rapide et des charges utiles significativement plus grandes. Maintenant, avec CAN XL, la troisième génération du protocole est arrivée. S'appuyant sur la même fondation physique, elle introduit des améliorations décisives en matière de débit de données, de taille de charge utile et de flexibilité d'intégration, amenant le CAN dans l'ère des architectures zonales et de la communication basée sur IP.

Du CAN classique au CAN XL

Le développement du CAN a toujours été guidé par des exigences croissantes en bande passante et en efficacité. Le CAN classique offrait jusqu'à 1 Mbit/s et huit octets de données par trame, ce qui a été suffisant pendant de nombreuses années. CAN FD a étendu cela à 64 octets de données et a permis la commutation flexible des débits binaires dans la phase de données, atteignant jusqu'à 8 Mbit/s.

CAN XL poursuit maintenant cette voie en supportant des charges utiles de jusqu'à 2 048 octets par trame et des débits de données de jusqu'à 20 Mbit/s en mode rapide. Avec ces capacités, CAN XL non seulement surpasse ses prédécesseurs mais se positionne également comme une technologie passerelle entre les bus de terrain traditionnels et les réseaux Ethernet haut débit.

Structure et format de trame

Au cœur de CAN XL se trouve le XL Frame Format (XLFF), qui étend la structure de trame CAN familière. L'une des innovations les plus importantes est la séparation de l'identifiant en deux parties. L'identifiant de priorité de 11 bits est utilisé pour l'arbitrage, tandis que le champ d'acceptation de 32 bits sert de mécanisme flexible d'adressage et de filtrage. Cette séparation permet de prioriser et de router les messages plus efficacement.

La structure de trame introduit également des champs supplémentaires qui étendent la polyvalence du protocole :

• Le Service Data Unit Type (SDT) définit quel protocole de couche supérieure est transporté, permettant le tunneling de CAN FD ou la transmission de paquets IP.
• Le Virtual CAN Network ID (VCID) permet d'exécuter jusqu'à 256 réseaux logiques sur un seul segment physique, comparable aux VLANs en Ethernet.
• Le bit Simple Extended Content (SEC) indique si des en-têtes supplémentaires, tels que pour le chiffrement ou la fragmentation, sont inclus.

Ensemble, ces fonctionnalités permettent à CAN XL de servir de plateforme hautement adaptable supportant à la fois les applications existantes et les architectures modernes orientées données.

Format de trame CAN XL

Intégrité des données et fiabilité

À mesure que les champs de données s'agrandissent, assurer la fiabilité devient encore plus critique. CAN XL introduit deux champs de contrôle de redondance cyclique pour sécuriser les transmissions : le Preface CRC protège les informations de contrôle, tandis que le Frame CRC sécurise l'ensemble de la trame. Cette approche en cascade atteint une distance de Hamming de six, ce qui signifie que jusqu'à cinq erreurs de bits aléatoirement distribuées peuvent être détectées de manière fiable. Une telle robustesse est essentielle lors du transport de charges utiles importantes ou de données critiques pour la sécurité dans les environnements automobiles et industriels.

Couche physique et commutation de mode

L'un des points forts de CAN XL réside dans sa capacité à réutiliser l'infrastructure physique existante. Comme ses prédécesseurs, il repose sur un bus à paire torsadée deux fils avec terminaison de 120 ohms. Cela signifie que dans de nombreux cas, le câblage existant peut être conservé, facilitant la migration.

Le câblage typique CAN XL

Pour atteindre des débits de données supérieurs à 8 Mbit/s, CAN XL introduit le concept de commutation de mode en combinaison avec les nouveaux transceivers SIC XL. Dans la phase d'arbitrage, la communication suit encore le schéma conventionnel, mais pour la phase de données, le système peut basculer dans un mode push-pull rapide avec une amplitude de signal réduite. Cela permet des débits binaires de jusqu'à 20 Mbit/s tout en maintenant la fiabilité du principe de transmission CAN.

La commutation de mode permet des débits de données élevés avec une grande robustesse. Les champs supplémentaires de la trame CAN XL fournissent des méta-informations structurées pour le traitement dans les couches protocolaires supérieures.

Fonctionnalités avancées

Au-delà de la vitesse et de la charge utile, CAN XL introduit des améliorations optionnelles qui préparent le protocole aux défis futurs :

• CANsec — une extension de sécurité conçue pour protéger contre les cyberattaques. Elle intègre des données d'authentification directement dans la trame et sécurise le canal de communication sans nécessiter de solutions de sécurité de couche supérieure.
• Fragmentation de trame — permet d'interrompre de très grandes trames pour que les messages de contrôle de haute priorité puissent passer sans compromettre l'intégrité de la transmission plus large.
• Codage par modulation de largeur d'impulsion (PWM) — comme alternative à la méthode NRZ traditionnelle, étendant encore les débits binaires possibles selon la conception du réseau.

Normalisation et écosystème

CAN XL a été officiellement normalisé dans l'ISO 11898-1:2024. Des spécifications, directives et recommandations complémentaires sont développées par CAN in Automation (CiA), couvrant des aspects tels que les plans de test, les services de couche supérieure, les notes d'application et les concepts de sécurité additionnels. Cela garantit une base solide pour la technologie et donne aux fabricants et fournisseurs un cadre clair pour l'implémentation.

Avantages et défis

Les avantages clés de CAN XL résident dans sa combinaison de haute capacité de données et de rétrocompatibilité. Avec jusqu'à 2 048 octets par trame, non seulement les données de capteurs mais aussi les paquets IP peuvent être transmis efficacement. En même temps, les infrastructures CAN existantes peuvent être utilisées, permettant des environnements mixtes avec Classic, FD et XL.

Particulièrement précieuse pour l'avenir est la capacité de créer des réseaux virtuels avec le VCID et ainsi implémenter des architectures zonales qui permettent l'équilibrage de charge et l'assurance qualité ciblée du trafic de données.

Cependant, cette fonctionnalité étendue présente aussi des défis. La complexité de l'évaluation du protocole augmente, et pour des débits élevés au-delà de 8 Mbps, la commutation de mode est nécessaire, ce qui limite les mécanismes traditionnels tels que les trames d'erreur.

CAN XL en comparaison avec l'Ethernet automobile

Il est tentant de comparer directement CAN XL avec l'Ethernet automobile, puisque les deux sont candidats pour la mise en réseau haute performance dans les véhicules. L'Ethernet atteint des débits beaucoup plus élevés, jusqu'à 10 Gbit/s, et est donc le choix privilégié pour les applications à forte bande passante comme l'infodivertissement ou les connexions dorsales.

CAN XL, en revanche, offre des charges utiles de jusqu'à 2 048 octets — plus que le MTU standard Ethernet de 1 500 octets — et excelle dans les environnements déterministes et sensibles aux coûts. Tandis que l'Ethernet nécessite typiquement des topologies en étoile ou en anneau, CAN XL continue d'opérer sur des structures linéaires simples, ce qui aide à réduire la complexité du câblage.

Plutôt que de se concurrencer directement, les deux technologies se complètent : Ethernet pour les domaines à ultra-haute bande passante, CAN XL pour les architectures zonales, l'agrégation de données de capteurs et l'intégration transparente avec les réseaux CAN existants.

Applications et perspectives

Le principal domaine d'application de CAN XL est dans les architectures zonales de véhicules, où les calculateurs électroniques au sein d'une zone fonctionnelle communiquent localement et transmettent les données agrégées aux processeurs centraux. Cette approche réduit l'effort de câblage, supporte les conceptions modulaires et s'adapte parfaitement à la flexibilité de CAN XL.

Un autre cas d'usage clé est la transmission efficace de grands flux de données de capteurs, par exemple dans les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), où de nombreux signaux doivent être combinés et traités. Au-delà du secteur automobile, CAN XL est également adapté à l'automatisation industrielle, servant de technologie de réseau dorsal robuste.

Avec des fabricants d'outils et des fournisseurs de matériel offrant déjà des packs de démarrage combinant interfaces, transceivers et APIs logicielles, les développeurs peuvent dès aujourd'hui commencer à explorer les avantages pratiques de CAN XL.

Comparaison CAN XL / Ethernet automobile