Seit mehr als drei Jahrzehnten ist das Controller Area Network (CAN) ein zuverlässiges Rückgrat der Kommunikationsarchitektur für In-vehicle-Netzwerke und industrielle Anwendungen. Ursprünglich mit CAN Classic eingeführt, folgte später die Erweiterung zu CAN FD, die eine deutlich höhere Datenrate und größere Nutzlast ermöglichte. Heute steht mit CAN XL die nächste Generation bereit, die auf denselben physikalischen Grundlagen aufsetzt, jedoch die Leistungsfähigkeit in entscheidenden Punkten erweitert. Für Ingenieure, Anlagenplaner und Testexperten eröffnet CAN XL neue Möglichkeiten, um moderne Anforderungen an Bandbreite, Datenmanagement und Systemarchitekturen zu erfüllen.
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.
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: 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.
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.
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.
| Merkmal | CAN XL | Automotive Ethernet |
| Maximale Datenrate | Bis zu 20 Mbit/s | Bis zu 10 Gbit/s |
| Nutzlastgröße | Bis zu 2.048 Byte | Bis zu 1.500 Byte (Standard-MTU) |
| Übertragungsmedium | Twisted pair, 120 Ohm | Twisted Pair, koaxial, Glasfaser |
| Typische Topologie | Linie mit kleinen Sternen | Stern-, Baum- oder Ringstruktur |
| Hauptanwendungsgebiete | Zonenarchitektur, Tunneling, Sensorfusion | Backbone, Infotainment, hohe Bandbreite |
| Abwärtskompatibilität | Voll mit CAN Classic und CAN FD | Nichts |
Tabelle 1: CAN XL im Vergleich zu Automotive Ethernet.
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.
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.
PCAN-Explorer 7 - Professionelle Windows-Software für CAN-CC-, CAN-FD- und CAN-XL
