以下文章來源于鼎陽硬件智庫，作者鼎陽AE

概述

隨著汽車和工業應用中數據通信量的增加，傳統的CAN協議已無法滿足更高的數據速率需求。傳統CAN協議在數據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用場景。為此，CAN XL（Controller Area Network eXtended Large）應運而生。

作為 CAN 協議家族的第三代協議，CAN XL 在物理層實現了高達 20 Mbit/s 的數據傳輸速率，單幀數據長度擴展到了2048字節數據字段，顯著提升了通信效率。將以太網幀映射到 CAN XL 幀，集成到以太網環境中，適應更高的數據傳輸速率和更復雜的應用場景。

01CAN XL 協議

自 1986 年問世以來，CAN 協議已在汽車工業中廣泛應用，并逐步演化出三代協議：CAN 2.0、CAN FD 和 CAN XL。根據ISO OSI層模型，CAN應用通常涵蓋物理層、數據鏈路層和應用層。圖1顯示了CAN協議底層的典型架構。其中PMA層將邏輯信號轉換為物理電平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上的實際驅動與接收。

圖1 CAN 協議底層實現

區別于CAN/CAN FD，CAN XL協議在PCS和PMA子層中增加了PWM編/解碼，將PMA子層的總線驅動方式從顯性/隱性和level_0/level_1之間切換，實現數據段速率提升，并且兼容傳統CAN的NRZ編碼，是在物理上實現高速數據傳輸和模式動態切換的核心技術。

CAN XL工作模式

CAN幀由三個主要階段構成，包括仲裁階段（Arbitration Phase），數據階段（Data Phase）和仲裁階段（Arbitration Phase）。每個階段包含不同的字段，用于實現總線仲裁、數據傳輸和錯誤校驗等功能。

CAN 控制器（controller）在協議層用來將報文轉換成符合CAN規范的CAN幀，并以二進制碼流方式發送，實現CAN 總線協議底層和數據鏈路層，定義通信規則與速率上限。CAN收發器（transceiver）用來將邏輯電平轉化為差分電平，應用于CAN總線的物理層，搭配不同的收發器，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信號數據速度達到500kbit/s，而在CAN FD協議信號中數據段速率會高達8Mbit/s，在CAN XL協議信號中搭配CAN SIC-XL快速模式的收發器實現了20Mbit/s的數據速率。

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

CAN XL幀結構

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，總線仲裁優先級標識符，用于處理優先級；XL包含多個bit，隱形電平標識CAN XL幀，區分CAN/CAN FD；ADS從仲裁階段轉到數據階段，包含4個固定位，ADH位以后進入快速階段。

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

在仲裁階段包含應答字段和結束字段。DAS從數據段向仲裁段轉化，包含4個固定位；ACK共6位，顯性電平表示確認收到數據幀；EOF共7位表示幀結束。

02示波器實測

鼎陽SDS7000A示波器解碼分析功能應用軟件算法，從物理層波形中提取串行數據信息，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，在總線協議中可以選擇解碼類型為CAN、CAN FD或者CAN XL，選中CAN XL。在協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，進入協議信號界面，設置SIC閾值為1.12V；Fast閾值設置為-540mV，閾值電平需要分別設置在SIC和Fast部分信號的垂直電平范圍內。

圖4 CAN XL的Fast模式的協議信號設置

進入協議配置界面，選擇類型為Fast模式，設置標準波特率為250kbit/s，XL標準波特率也設為了自定義的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果，ID，DLC，SDT，PCRD，VCID，AF，data，FCRC等信息。

圖6 CAN XL的Fast模式的協議配置的設置

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，在協議信號中，設置信源為C1。設置SIC的閾值在垂直方向電平范圍內，該段波形沒有Fast部分，因此Fast閾值可以不用設置。

圖8 CAN XL的SIC模式的協議信號設置

進入協議配置，選擇類型為SIC模式，根據具體的波形類型來配置波特率，設置標準波特率為250kbit/s，XL為自定義的250kbit/s，設置采樣位置為默認。同樣如下圖所示，解碼結果顯示在下方屏幕。

圖9 CAN XL的SIC模式的協議配置的設置

小結

CAN XL作為新一代的CAN技術，其 SIC/FAST 雙模式分離技術在數據階段實現了高速穩定傳輸，滿足了現代汽車電子和工業自動化領域對高速、高容量數據傳輸的需求。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，解碼功能清晰的顯示信號幀，幫助工程師精準定位問題、調試系統優化網絡性能，是CAN XL 網絡開發和維護的關鍵工具。

作者丨鼎陽科技 陳秋帆

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