以下文章來源于鼎陽硬件智庫，作者鼎陽AE

概述

隨著汽車和工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)通信量的增加，傳統(tǒng)的CAN協(xié)議已無法滿足更高的數(shù)據(jù)速率需求。傳統(tǒng)CAN協(xié)議在數(shù)據(jù)速率和總線負載能力方面存在限制，難以滿足高帶寬和高實時性的應(yīng)用場景。為此，CAN XL（Controller Area Network eXtended Large）應(yīng)運而生。

作為 CAN 協(xié)議家族的第三代協(xié)議，CAN XL 在物理層實現(xiàn)了高達 20 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，單幀數(shù)據(jù)長度擴展到了2048字節(jié)數(shù)據(jù)字段，顯著提升了通信效率。將以太網(wǎng)幀映射到 CAN XL 幀，集成到以太網(wǎng)環(huán)境中，適應(yīng)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更復(fù)雜的應(yīng)用場景。

01CAN XL 協(xié)議

自 1986 年問世以來，CAN 協(xié)議已在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，并逐步演化出三代協(xié)議：CAN 2.0、CAN FD 和 CAN XL。根據(jù)ISO OSI層模型，CAN應(yīng)用通常涵蓋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。圖1顯示了CAN協(xié)議底層的典型架構(gòu)。其中PMA層將邏輯信號轉(zhuǎn)換為物理電平CAN_H和CAN_L信號并通過MDI接口傳遞給PMD子層，由PMD子層完成在物理介質(zhì)上的實際驅(qū)動與接收。

圖1 CAN 協(xié)議底層實現(xiàn)

區(qū)別于CAN/CAN FD，CAN XL協(xié)議在PCS和PMA子層中增加了PWM編/解碼，將PMA子層的總線驅(qū)動方式從顯性/隱性和level_0/level_1之間切換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)段速率提升，并且兼容傳統(tǒng)CAN的NRZ編碼，是在物理上實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和模式動態(tài)切換的核心技術(shù)。

CAN XL工作模式

CAN幀由三個主要階段構(gòu)成，包括仲裁階段（Arbitration Phase），數(shù)據(jù)階段（Data Phase）和仲裁階段（Arbitration Phase）。每個階段包含不同的字段，用于實現(xiàn)總線仲裁、數(shù)據(jù)傳輸和錯誤校驗等功能。

CAN 控制器（controller）在協(xié)議層用來將報文轉(zhuǎn)換成符合CAN規(guī)范的CAN幀，并以二進制碼流方式發(fā)送，實現(xiàn)CAN 總線協(xié)議底層和數(shù)據(jù)鏈路層，定義通信規(guī)則與速率上限。CAN收發(fā)器（transceiver）用來將邏輯電平轉(zhuǎn)化為差分電平，應(yīng)用于CAN總線的物理層，搭配不同的收發(fā)器，決定了物理信號的實際傳輸能力。

圖2 CAN/CAN FD/CAN XL三種信號速率和傳輸模式對比

具體來說，在控制器模式下允許仲裁階段的CAN信號數(shù)據(jù)速度達到500kbit/s，而在CAN FD協(xié)議信號中數(shù)據(jù)段速率會高達8Mbit/s，在CAN XL協(xié)議信號中搭配CAN SIC-XL快速模式的收發(fā)器實現(xiàn)了20Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。

CAN和CAN FD信號的收發(fā)器工作模式為normal，驅(qū)動電平為顯性電平和隱性電平。CAN XL信號的標準工作模式為SIC模式，同樣驅(qū)動電平為顯性電平和隱性電平，用于仲裁階段和數(shù)據(jù)階段。SIC XL控制器可以在數(shù)據(jù)階段將收發(fā)器切換到Fast模式，此時采用Level_0/Level_1作為驅(qū)動電平，輸出的將是交替差分信號，有效減少反射和信號畸變。

CAN XL幀結(jié)構(gòu)

下面介紹CAN XL幀的主要組成部分。在仲裁階段包括Priority ID，XL，ADS。Priority ID共11位，總線仲裁優(yōu)先級標識符，用于處理優(yōu)先級；XL包含多個bit，隱形電平標識CAN XL幀，區(qū)分CAN/CAN FD；ADS從仲裁階段轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)階段，包含4個固定位，ADH位以后進入快速階段。

數(shù)據(jù)階段包含控制字段，數(shù)據(jù)字段和循環(huán)冗余校驗字段。SDT共8位協(xié)議類型標識符，表示數(shù)據(jù)段封裝類型；SEC共1位，表示對否為加密數(shù)據(jù)；DLC共11位，定義數(shù)據(jù)段長度；SBC共3位，是動態(tài)填充位計數(shù)；PCRC共13位，用于校驗仲裁段和控制段數(shù)據(jù)完整性；VCID共8位，虛擬 CAN 通道標識符，類似以太網(wǎng)中的VLAN；AF共32位，用于尋址的字段；Data bytes有1~2048個字節(jié)，傳輸速率在10M或更高；FCRC共32位，用于數(shù)據(jù)校驗。

在仲裁階段包含應(yīng)答字段和結(jié)束字段。DAS從數(shù)據(jù)段向仲裁段轉(zhuǎn)化，包含4個固定位；ACK共6位，顯性電平表示確認收到數(shù)據(jù)幀；EOF共7位表示幀結(jié)束。

02示波器實測

鼎陽SDS7000A示波器解碼分析功能應(yīng)用軟件算法，從物理層波形中提取串行數(shù)據(jù)信息，快速的測試和解碼信號，顯示信息幀。下面我們來實操使用示波器來解碼CAN XL。

在分析中點擊解碼，在總線協(xié)議中可以選擇解碼類型為CAN、CAN FD或者CAN XL，選中CAN XL。在協(xié)議信號中可以選擇信源，代表該信源將會被解碼。信源可以選擇為C1,C2或者MATH。例如C1是原始的CAN_H信號，C2是CAN_L信號，那么MATH的F1設(shè)為C1-C2就代表差分處理后的信號。

圖3 進入CAN XL解碼

解碼CAN XL的Fast部分信號

如圖5所示，此時測試解碼的是信源1的Fast部分信號，進入?yún)f(xié)議信號界面，設(shè)置SIC閾值為1.12V；Fast閾值設(shè)置為-540mV，閾值電平需要分別設(shè)置在SIC和Fast部分信號的垂直電平范圍內(nèi)。

圖4 CAN XL的Fast模式的協(xié)議信號設(shè)置

進入?yún)f(xié)議配置界面，選擇類型為Fast模式，設(shè)置標準波特率為250kbit/s，XL標準波特率也設(shè)為了自定義的250kbit/s，波特率是由信號自身特點決定的。采樣位置代表在一個bit中，當前采樣點位置占總bit的百分比，設(shè)置采樣位置為默認。

圖5 采樣位置示意

配置完成后，信號就會被成功解出來，在解碼列表中顯示總線1，可以在圖6屏幕下方看到該信號的解碼結(jié)果，ID，DLC，SDT，PCRD，VCID，AF，data，F(xiàn)CRC等信息。

圖6 CAN XL的Fast模式的協(xié)議配置的設(shè)置

如果一個屏幕解碼多幀波形，總線1的列表將會顯示多幀解碼的結(jié)果。

圖7 解碼多幀CANXL列表顯示

解碼CAN XL的SIC部分信號

同樣輸入到示波器一個SIC信號，在協(xié)議信號中，設(shè)置信源為C1。設(shè)置SIC的閾值在垂直方向電平范圍內(nèi)，該段波形沒有Fast部分，因此Fast閾值可以不用設(shè)置。

圖8 CAN XL的SIC模式的協(xié)議信號設(shè)置

進入?yún)f(xié)議配置，選擇類型為SIC模式，根據(jù)具體的波形類型來配置波特率，設(shè)置標準波特率為250kbit/s，XL為自定義的250kbit/s，設(shè)置采樣位置為默認。同樣如下圖所示，解碼結(jié)果顯示在下方屏幕。

圖9 CAN XL的SIC模式的協(xié)議配置的設(shè)置

小結(jié)

CAN XL作為新一代的CAN技術(shù)，其 SIC/FAST 雙模式分離技術(shù)在數(shù)據(jù)階段實現(xiàn)了高速穩(wěn)定傳輸，滿足了現(xiàn)代汽車電子和工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)Ω咚?、高容量?shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。同時對于CAN XL信號的測試，SDS7000A以20GSa/s的采樣率可以完整的采樣到高速信號的波形細節(jié)，解碼功能清晰的顯示信號幀，幫助工程師精準定位問題、調(diào)試系統(tǒng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，是CAN XL 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和維護的關(guān)鍵工具。

作者丨鼎陽科技 陳秋帆

深圳市鼎陽科技股份有限公司（簡稱“鼎陽科技”，股票代碼：688112）是國家重點“小巨人”企業(yè)，是全球極少數(shù)具有數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四大通用電子測試測量儀器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測試測量儀器企業(yè)，同時也是國內(nèi)極少數(shù)同時擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線進入高端領(lǐng)域的企業(yè)。公司總部位于深圳，在美國克利夫蘭、德國奧格斯堡、日本東京、馬來西亞檳城州成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武漢、南京設(shè)立了辦事處，產(chǎn)品及服務(wù)遠銷全球80多個國家及地區(qū)。

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