CAN XL物理层探秘（上）：革新要点与显著优势

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#CAN XL #数模信号转换 #CAN通信

导读

汽车电子和工业自动化领域对通信网络的带宽和可靠性要求日益提高。CAN通信已经从最初的1Mbit/s速率发展到如今CAN XL数据帧在FAST模式下可达20Mbit/s的高速传输。本文将详细介绍CAN XL网络中的物理层革新与优势，包括CAN技术的演进、物理层的关键技术、FAST模式下的阻抗特性以及CAN XL网络的验证等方面。

01****CAN总线技术的演进与物理层革新

在CAN总线技术发展之初，1Mbit/s是最高比特率。如今，当使用CAN SIC XL收发器并启用FAST模式时， 在CAN XL数据帧的数据阶段，可实现高达20Mbit/s的速度 。通过一个使用CAN XL协议控制器和CAN SIC XL收发器的CAN节点，可以凭借不同配置实现CAN CC、CAN FD和CAN XL通信，而无需硬件修改，仅需不同的协议控制器配置。

CAN通信的一个重要优势是其物理层支持多点网络，该网络所有节点可同时接收CAN帧，无需交换机，且节点间无传播延迟。为了组织这种通信，特别是在开始时，需要一个仲裁阶段。 在仲裁阶段，所有节点在网络上传输逻辑“1”或逻辑“0”。 为了在不损坏节点或不在网络上传输未定义的信号电平的情况下实现这一点，只有“0”作为显性信号在网络上被主动传输，而“1”由终端电阻被动产生，被称为隐性电平。

图1 CAN FD收发器阻抗（来源：英飞凌）

图1中展示了收发器的输出行为。收发器在高阻抗（以允许网络上的隐性电平）和低阻抗（以产生显性电平）之间切换。隐性到显性的转换由收发器控制，而在显性到隐性的转换期间，最大可能的转换速率仅由收发器限制。这种转换主要由线束和终端电阻控制。在传输显性和隐性信号期间，收发器输出阻抗的不断变化会在网络上引起振铃。这种振铃限制了CAN网络中的最大可能比特率。

02****物理层的关键技术与FAST模式阻抗特性

为了实现更高的比特率，CAN XL技术对收发器概念进行了重要修改。图2中展示了SIC收发器输出阻抗的行为，显性到隐性阶段也由收发器控制。输出阻抗现在从显性阶段的低阻抗变为100欧姆的中阻抗，持续时间最多为500纳秒。这个阶段称为有源隐性阶段。在有源隐性阶段之后，收发器输出阻抗从中阻抗变为高阻抗，以允许网络上的碰撞。这个阶段称为无源隐性阶段。在SIC阶段选择100欧姆的阻抗是为了使收发器阻抗与典型的CAN双绞线阻抗（100欧姆）相匹配。

图2 CAN SIC收发器输出阻抗特性（来源：英飞凌）

这种修改提高了现有CAN FD网络的可靠性，使其比特率高达8Mbit/s。为了使CAN XL实现超过8Mbit/s的比特率，需要一个新的收发器概念。 在仲裁阶段，采用CAN SIC 收发器概念，即 SIC 模式；在数据阶段，选用推挽收发器概念，此模式称为 FAST 模式，可实现高达 20Mbit/s 的比特率。 在CAN XL协议的ADS（仲裁到数据序列）阶段，收发器从SIC模式切换到FAST模式。模式切换由CAN XL协议控制器通过TxD引脚控制。在FAST模式下的阻抗与有源隐性SIC模式下的阻抗相同，均为100欧姆。但是由于交替波形，传输比特的对称性比SIC模式更好，允许比特率高达20Mbit/s。

图3 从SIC到FAST模式转换期间发射器的阻抗特性（来源：英飞凌）

图3展示了 SIC XL发射器在SIC模式到FAST模式转换期间和在FAST模式下的阻抗特性。 转换从显性电平变为level_0，然后变为level_1。从显性变为level_0是为了获得与FAST模式相同的电压摆幅。否则，在转换阶段，由于更高的电压摆幅引起的振铃必须单独分析。在图4中，展示了 在数据阶段结束时从FAST模式到SIC模式的模式转换 。在整个FAST模式阶段（与数据阶段相同），阻抗恒定为100欧姆，与导线阻抗匹配。

图4 从FAST到SIC模式转换器件发射器的阻抗特性（来源：英飞凌）

从SIC模式到FAST模式的模式转换 由CAN XL控制器通过TxD引脚控制 。在仲裁阶段，TxD信号与所有其他类型的收发器相同。TxD高电平控制网络上的隐性电平，TxD低电平控制网络上的显性电平。 在FAST模式下，控制器向收发器发送PWM编码（脉宽调制）符号 。PWM符号的长度可以在50纳秒到200纳秒之间变化。如果收发器检测到这个PWM符号，收发器将模式从SIC切换到FAST，如果不再检测到符号，收发器切换回SIC模式。PWM符号的占空比代表将传输到网络的电平。如果占空比小于50％，这代表逻辑0，并且将level_0（正差分信号）传输到网络线路。如果占空比大于50％，这代表逻辑1，并且将level_1（负差分信号）传输到网络。

不仅在数据阶段使用PWM信号控制发送收发器，接收收发器也使用PWM信号切换到FAST模式。在FAST模式下，接收器阈值设置为0V，而在SIC模式下为700mV。这保证了CAN XL控制器和CAN SIC XL收发器始终处于相同的模式。例如，不会由于错误而导致不匹配。

03****CAN XL网络的验证与测试

为了确保CAN XL网络的可靠性和性能，需要进行严格的验证和测试。在此过程中，针对CAN XL数据帧的关键应用场景进行深入分析，对于评估网络的稳定性和整体性能具有至关重要的作用。

1、关键场景的验证

CAN XL数据帧中最关键的场景包括：1. 从SIC模式到FAST模式的转换；2. 短位的突发；3. 在长电平_0或电平_1阶段（根据stuff-bit规则最多连续11位）后接一个短位（与前一位相反的电平）。

在ADH（仲裁到数据高）位期间，收发器从显性切换到level_0，然后切换到level_1，同时所有接收节点更改接收器阈值。这是通过CAN XL控制器发送到收发器TxD引脚的PWM编码符号来实现的。

图5 ADS域中SIC模式到FAST模式的转换（来源：英飞凌）

在TxD引脚检测到PWM编码符号之前，接收节点发送一个短显性脉冲，随后是缩短的SIC阶段。要求是在SDT（服务数据单元类型）字段开始之前，level 1必须稳定。此外，DL1（数据低）位的长度也很重要。从DH2（数据高）位到DL1位的转换用于在进入数据阶段后重新同步CAN XL协议控制器。此外，还应达到level_0。在SDT字段中选择了“0101”位模式来分析在高比特率情况下短位的影响。

图6 长相位后的Level_1或Level_0位（来源：英飞凌）

此外，在相同电平的大量位（连续level_1或level_0位的最高可能数量）之后的短位也是一个关键情况。应该使用在连续11位相同电平后接的一个位来进行调查。目标是找出在CAN XL数据帧中最长的相同电平阶段后，短位的比特长度和电平如何表现。

2、测试标准计时

对于验证，应使用在+100 mV和 -100 mV阈值处测量的比特时间长度。比特时间应接近标称比特时间或其倍数。对于高比特率，也可以使用0 V阈值。可以忽略长度为20 ns的毛刺。

图7 测试标准计时（来源：英飞凌）

此外，还应分析短位的电平，并且应至少达到标称电平的80％。为了更轻松地验证CAN XL网络，CiA成员正在为CAN XL数据帧中的眼图制定建议。

本文详细介绍了CAN XL网络中的物理层革新与优势，包括CAN技术的演进、物理层的关键技术、FAST模式下的阻抗特性以及CAN XL网络的验证等方面。 在下篇中，我们将进一步探讨CAN XL网络在实际应用中的组合与兼容性问题，以及如何选择合适的物理层选项来优化网络性能。 敬请期待！

文章来源：本文基于Magnus Hell（英飞凌汽车网络技术首席负责人兼CiA技术总监）在第18届国际CAN大会（iCC）及2024年虹科CAN XL国际研讨会的演讲。论文已刊于《第18届iCC会议论文集》2024版，由CiA出版。虹科智能互联团队翻译并分享，旨在与行业同仁分享前沿技术成果。

审核编辑 黄宇