一文读懂CAN XL协议

以下文章来源于鼎阳硬件智库，作者鼎阳AE

概述

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。

01CAN XL 协议

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。

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。

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。

02示波器实测

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3 进入CAN XL解码

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4 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5 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6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6 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7 解码多帧CANXL列表显示

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8 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9 CAN XL的SIC模式的协议配置的设置

小结

CAN XL作为新一代的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。

作者丨鼎阳科技 陈秋帆

深圳市鼎阳科技股份有限公司（简称“鼎阳科技”，股票代码：688112）是国家重点“小巨人”企业，是全球极少数具有数字示波器、信号发生器、频谱分析仪和矢量网络分析仪四大通用电子测试测量仪器主力产品研发、生产和销售能力的通用电子测试测量仪器企业，同时也是国内极少数同时拥有这四大主力产品并且四大主力产品全线进入高端领域的企业。公司总部位于深圳，在美国克利夫兰、德国奥格斯堡、日本东京、马来西亚槟城州成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武汉、南京设立了办事处，产品及服务远销全球80多个国家及地区。

鼎阳硬件智库

鼎阳硬件设计与测试智库（简称鼎阳硬件智库）由深圳市鼎阳科技股份有限公司领衔创办，是一家“智力众筹”模式的硬件智库。

鼎阳硬件智库顺时顺势，倡导“连接-分享-协作-创造”的理念，高举志愿者服务的大旗，相信互联网是“爱”的大本营，相信人们都有发自内心分享的愿望。

鼎阳硬件智库选择硬件领域最普遍的七类问题：电源，时钟，DDR，低速总线，高速总线，EMC，测试测量进行聚焦。寻找“最针尖”的问题进行研讨，针对“最针尖”的问题组织专家答疑，将硬件大师积累的宝贵知识和经验变成公众财富，惠及更多硬件人。

鼎阳硬件智库，群策群力，连接所有硬件人。

有硬件问题，找鼎阳硬件智库。