更新时间：作者：小小条
随着汽车和工业应用中数据通信量的增加，传统的CAN协议已无法满足更高的数据速率需求。传统CAN协议在数据速率和总线负载能力方面存在限制，难以满足高带宽和高实时性的应用场景。为此，CAN XL（Controller Area Network eXtended Large）应运而生。作为 CAN 协议家族的第三代协议，CAN XL 在物理层实现了高达 20 Mbit/s 的数据传输速率，单帧数据长度扩展到了2048字节数据字段，显著提升了通信效率。将以太网帧映射到 CAN XL 帧，集成到以太网环境中，适应更高的数据传输速率和更复杂的应用场景。
自 1986 年问世以来，CAN 协议已在汽车工业中广泛应用，并逐步演化出三代协议：CAN 2.0、CAN FD 和 CAN XL。根据ISO OSI层模型，CAN应用通常涵盖物理层、数据链路层和应用层。图1显示了CAN协议底层的典型架构。其中PMA层将逻辑信号转换为物理电平CAN_H和CAN_L信号并通过MDI接口传递给PMD子层，由PMD子层完成在物理介质上的实际驱动与接收。
图1 CAN 协议底层实现
区别于CAN/CAN FD，CAN XL协议在PCS和PMA子层中增加了PWM编/解码，将PMA子层的总线驱动方式从显性/隐性和level_0/level_1之间切换，实现数据段速率提升，并且兼容传统CAN的NRZ编码，是在物理上实现高速数据传输和模式动态切换的核心技术。
1、CAN XL工作模式
CAN帧由三个主要阶段构成，包括仲裁阶段（Arbitration Phase），数据阶段（Data Phase）和仲裁阶段（Arbitration Phase）。每个阶段包含不同的字段，用于实现总线仲裁、数据传输和错误校验等功能。CAN 控制器（controller）在协议层用来将报文转换成符合CAN规范的CAN帧，并以二进制码流方式发送，实现CAN 总线协议底层和数据链路层，定义通信规则与速率上限。CAN收发器（transceiver）用来将逻辑电平转化为差分电平，应用于CAN总线的物理层，搭配不同的收发器，决定了物理信号的实际传输能力。
图2 CAN/CAN FD/CAN XL三种信号速率和传输模式对比
具体来说，在控制器模式下允许仲裁阶段的CAN信号数据速度达到500kbit/s，而在CAN FD协议信号中数据段速率会高达8Mbit/s，在CAN XL协议信号中搭配CAN SIC-XL快速模式的收发器实现了20Mbit/s的数据速率。
CAN和CAN FD信号的收发器工作模式为normal，驱动电平为显性电平和隐性电平。CAN XL信号的标准工作模式为SIC模式，同样驱动电平为显性电平和隐性电平，用于仲裁阶段和数据阶段。SIC XL控制器可以在数据阶段将收发器切换到Fast模式，此时采用Level_0/Level_1作为驱动电平，输出的将是交替差分信号，有效减少反射和信号畸变。
2、CAN XL帧结构
下面介绍CAN XL帧的主要组成部分。在仲裁阶段包括Priority ID，XL，ADS。Priority ID共11位，总线仲裁优先级标识符，用于处理优先级；XL包含多个bit，隐形电平标识CAN XL帧，区分CAN/CAN FD；ADS从仲裁阶段转到数据阶段，包含4个固定位，ADH位以后进入快速阶段。
数据阶段包含控制字段，数据字段和循环冗余校验字段。SDT共8位协议类型标识符，表示数据段封装类型；SEC共1位，表示对否为加密数据；DLC共11位，定义数据段长度；SBC共3位，是动态填充位计数；PCRC共13位，用于校验仲裁段和控制段数据完整性；VCID共8位，虚拟 CAN 通道标识符，类似以太网中的VLAN；AF共32位，用于寻址的字段；Data bytes有1~2048个字节，传输速率在10M或更高；FCRC共32位，用于数据校验。
在仲裁阶段包含应答字段和结束字段。DAS从数据段向仲裁段转化，包含4个固定位；ACK共6位，显性电平表示确认收到数据帧；EOF共7位表示帧结束。下图清晰的显示了CANXL帧各部分字段结构。
图3 CAN XL的帧结构
鼎阳SDS7000A示波器解码分析功能应用软件算法，从物理层波形中提取串行数据信息，快速的测试和解码信号，显示信息帧。下面我们来实操使用示波器来解码CAN XL。
在分析中点击解码，在总线协议中可以选择解码类型为CAN、CAN FD或者CAN XL，选中CAN XL。在协议信号中可以选择信源，代表该信源将会被解码。信源可以选择为C1,C2或者MATH。例如C1是原始的CAN_H信号，C2是CAN_L信号，那么MATH的F1设为C1-C2就代表差分处理后的信号。
图4 进入CAN XL解码
1、解码CAN XL的Fast部分信号
如图5所示此时测试解码的是信源1的Fast部分信号，进入协议信号界面，设置SIC阈值为1.12V；Fast阈值设置为-540mV，阈值电平需要分别设置在SIC和Fast部分信号的垂直电平范围内。
图5 CAN XL的Fast模式的协议信号设置
进入协议配置界面，选择类型为Fast模式，设置标准波特率为250kbit/s，XL标准波特率也设为了自定义的250kbit/s，波特率是由信号自身特点决定的。采样位置代表在一个bit中，当前采样点位置占总bit的百分比，设置采样位置为默认。
图6 采样位置示意
配置完成后，信号就会被成功解出来，在解码列表中显示总线1，可以在图7屏幕下方看到该信号的解码结果，ID，DLC，SDT，PCRD，VCID，AF，data，FCRC等信息。
图7 CAN XL的Fast模式的协议配置的设置
如果一个屏幕解码多帧波形，总线1的列表将会显示多帧解码的结果。
图8 解码多帧CANXL列表显示
2、解码CAN XL的SIC部分信号
同样输入到示波器一个SIC信号，在协议信号中，设置信源为C1。设置SIC的阈值在垂直方向电平范围内，该段波形没有Fast部分，因此Fast阈值可以不用设置。
图9 CAN XL的SIC模式的协议信号设置
进入协议配置，选择类型为SIC模式，根据具体的波形类型来配置波特率，设置标准波特率为250kbit/s，XL为自定义的250kbit/s，设置采样位置为默认。同样如下图所示，解码结果显示在下方屏幕。
图10 CAN XL的SIC模式的协议配置的设置
CAN XL最为新一代的CAN技术，其 SIC/FAST 双模式分离技术在数据阶段实现了高速稳定传输，满足了现代汽车电子和工业自动化领域对高速、高容量数据传输的需求。同时对于CAN XL信号的测试，SDS7000A以20GSa/s的采样率可以完整的采样到高速信号的波形细节，解码功能清晰的显示信号帧，帮助工程师精准定位问题、调试系统优化网络性能，是CAN XL 网络开发和维护的关键工具。
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