?摘要

CAN XL滿足了現(xiàn)代汽車系統(tǒng)日益增長的帶寬需求。由于現(xiàn)有的CAN協(xié)議易于適配和重復使用（CAN協(xié)議可能是汽車中應用最廣泛的網絡協(xié)議），其靈活的數(shù)據速率和更大的有效載荷為不斷增長的信息流提供了良好的解決方案。然而，該協(xié)議本身給設計者帶來了一些挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的動態(tài)行為無法通過手動計算預測，這就迫使設計者使用仿真或測量手段來分析網絡，以實現(xiàn)穩(wěn)健設計，并研究隨著CAN協(xié)議發(fā)展而變化的關鍵影響因素。在高速CAN網絡中，傳播延遲曾是限制因素，但隨著CAN FD和SIC的出現(xiàn)，情況發(fā)生了徹底改變。對于CAN XL，必須檢查新收發(fā)器以及填充規(guī)則、SIC與FAST模式切換等協(xié)議修改帶來的影響。所有這些最終都歸結為對物理層進行驗證，以改善信號質量，并確保即使在最壞情況下也能實現(xiàn)準確無誤的通信。

01# CAN技術的發(fā)展

20世紀80年代，控制器局域網（CAN），也就是經典CAN（CAN CC），最初是為工業(yè)應用開發(fā)的，后來被適配應用于汽車行業(yè)。

CAN能夠通過非屏蔽雙絞線傳輸高達1Mbit/s的比特率。對于經典基礎幀格式（CBFF），其有效載荷大小限制為8字節(jié)，標識符為11位。為了實現(xiàn)高達1Mbit/s的比特率，開發(fā)了經典擴展幀格式（CEFF），它允許使用29位標識符。標識符用于優(yōu)先級排序，以區(qū)分數(shù)據類型和尋址。

由于其多功能性、高可靠性、高數(shù)據速率和靈活的網絡設計，CAN已成為汽車領域的主要標準，因此在車輛的許多不同領域都有應用。

車輛中可實現(xiàn)的最大電纜長度和網絡結構取決于傳輸速度。在車輛中使用時，需要對網絡的傳輸特性和信號行為進行適當?shù)脑u估和驗證。信號的傳播延遲對于CAN網絡的研究尤為重要。例如，傳播延遲過長可能導致位采樣錯誤，一方面會使正確的仲裁無法進行，另一方面會導致數(shù)據傳輸錯誤（錯誤幀）。這樣的網絡不適合在車輛中使用，必須根據要求進行調整。

靈活數(shù)據速率控制器局域網（CAN FD）是CAN CC的進一步發(fā)展。使用CAN FD，傳輸高達8Mbit/s的更高比特率成為可能，其有效載荷也顯著增大，最高可達64字節(jié)。CAN FD標準采用29位標識符。與CAN CC相比，由于傳輸速度更高，根據所使用的收發(fā)器和傳輸線，CAN FD的電纜長度可能需要縮短。

更高的傳輸速率對CAN FD數(shù)據階段相關的采樣時間范圍帶來了進一步限制。網絡中的時鐘容差和信號不對稱性在此起著尤為重要的作用。如果這些參數(shù)偏差過大，位長的偏移可能導致位采樣錯誤，從而造成數(shù)據傳輸錯誤（錯誤幀）。例如，在發(fā)送器（接收器同理）中，隱性到顯性和顯性到隱性斜率之間的信號不對稱性會發(fā)生偏移。建議不要將時鐘容差設置得過高，否則所有發(fā)送和接收網絡節(jié)點之間可能會出現(xiàn)差異。

此外，振鈴等效應可能會在CAN CC和CAN FD網絡中出現(xiàn)。這些效應也是由各種網絡結構日益復雜導致的，會引起信號傳輸錯誤。

為了最大程度地減少這些特殊效應，尤其是振鈴，開發(fā)了信號改進能力（SIC）方法。使用這些方法可顯著改善CAN FD網絡的信號行為和魯棒性。通過使用SIC收發(fā)器，這些特殊的網絡效應可以大大降低。在CAN高電平和CAN低電平之間，SIC收發(fā)器在隱性狀態(tài)下的阻抗從高阻值變?yōu)閭鬏斁€的特性阻抗。

02# CAN XL新技術

CAN XL是CAN的最新一代技術，它提供高達20Mbit/s的可配置數(shù)據比特率和最大2048字節(jié)的大有效載荷。借助合適的物理介質附件（PMA）實現(xiàn)和比特率適配，CAN XL不僅具有可擴展性，還具備靈活性，能夠構建復雜的車載網絡（IVN），如帶有長支線的星形和線性總線。

CAN XL保持了CAN CC和CAN FD的可靠性。它仍然采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突解決（CSMA/CR）的總線訪問方法，從而確保更重要的消息能夠傳輸。對于有效載荷較大的CAN XL幀，新的分片功能有助于減少車載網絡中的延遲。

然而，與使用29位標識符的CAN FD協(xié)議不同，CAN XL僅支持11位標識符，其中包含幀的優(yōu)先級ID。有關尋址和數(shù)據類型的信息現(xiàn)在位于數(shù)據字段中，不再是標識符的一部分，這帶來了更快、更高效的數(shù)據速率。CAN XL中另一項改進的功能是循環(huán)冗余校驗（CRC）。CAN CC中的CRC為15位，CAN FD中為17位或21位。而CAN XL的數(shù)據階段有兩個CRC字段：13位的前置CRC（PCRC）和32位的幀CRC（FCRC），這使得傳輸?shù)臐h明距離達到6，保證了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

CAN XL不僅改進了現(xiàn)有功能還引入了新功能，包括：

■ 優(yōu)先級（仲裁字段中）和尋址功能（現(xiàn)在位于控制字段中）分離：這使得在同一總線上運行多個高層協(xié)議/應用程序成為可能。

■ 支持虛擬CAN網絡ID（VCID）：這簡化了幀過濾，增強了安全性。

憑借這些顯著的增強功能和新特性，CAN XL可用于面向服務的通信（如以太網隧道）以及基于信號的通信（更快的CAN FD）。這使得CAN XL不僅非常適合在現(xiàn)有電子電氣架構的基礎上進一步發(fā)展，也能滿足未來區(qū)域化車載網絡架構的要求。

上述所有特性改進了CAN XL的技術和應用，但這并不影響車載網絡的驗證工作。對設計者工作產生影響的第一個變化是位填充。CAN XL中使用兩種類型的填充位：動態(tài)填充位（仲裁階段）和固定填充位（數(shù)據階段）。

在仲裁階段，每連續(xù)5位后會添加一個互補的動態(tài)填充位。在數(shù)據階段，從DL1位開始（包括DL1位）到FCRC字段結束，每10位插入一個固定填充位，如圖1所示。因此，連續(xù)位的最大數(shù)量為11位，現(xiàn)有的最壞情況模式必須進行調整。

CAN XL中的仲裁行為與CAN CC和CAN FD中的仲裁行為類似，因此，仲裁階段使用的驗證標準仍然適用于CAN XL，包括：

■ 考慮仲裁階段位定時設置的時鐘容差。

■ 仲裁場景以及對確認位的正確采樣，重點關注不同節(jié)點之間顯性到隱性邊沿和隱性到顯性邊沿的傳播延遲。

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在網絡驗證方面，最大的變化之一是新的操作模式。CAN XL有兩種操作模式：

模式切換關閉/錯誤信號開啟

由于模式切換是軟件可配置的，當模式切換關閉時，CAN SIC XL PMA的實現(xiàn)方式類似于常規(guī)的CAN FD SIC（有效載荷可能更大）。在這種情況下，必須啟用錯誤信號。在這種場景下，CAN XL與CAN CC和CAN FD兼容。此操作模式適用于數(shù)據階段比特率高達8Mbit/s的情況。

CAN XL模式對于判斷信號邊沿的不對稱性至關重要。當收發(fā)器處于SIC模式時，數(shù)據階段的驗證過程與CAN FD采用相同的標準，包括：

■ 考慮數(shù)據階段位定時設置的時鐘容差，以確保正確通信。

■ 關注信號定時要求的場景。隱性位和顯性位的信號對稱性對于確保每位的安全采樣尤為重要，并且隨著比特率的增加，其重要性也會提高。

■ 在每個節(jié)點測量差分信號的模擬振鈴。

有關CAN FD網絡仿真驗證標準的更多詳細信息，請參見參考文獻[1]。

由于CAN XL數(shù)據階段填充率的變化，使用的最壞情況模式需要相應調整。為了驗證車載網絡，一種由連續(xù)位組成的最壞情況模式被用作CAN總線上每個發(fā)送節(jié)點的激勵模式。根據測試用例的不同，該模式可能會有所不同。例如：

■ 通過評估模擬振鈴（即所謂的穩(wěn)定時間標準）：將最長的無需重新同步的位序列用作最壞情況模式。在這種情況下，該模式由11個顯性位后跟幾個隱性位組成。

■ 對于信號對稱性測試用例：所使用的模式類似于網絡中電容充電和放電的最壞情況。這種最壞情況模式由11個顯性位后跟1個隱性位組成。因為這一位的信號定時要求在最新的ISO 11898標準中有明確規(guī)定。

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模式切換開啟/錯誤信號關閉

對于高達20Mbit/s的比特率，需要使用CAN SIC XL實現(xiàn)。這些設備在仲裁階段需要非歸零（NRZ）編碼，在數(shù)據階段需要脈沖寬度調制（PWM）編碼。

在此模式下，仲裁階段使用SIC模式，數(shù)據階段使用具有推挽（0電平/1電平）驅動器的FAST模式。CAN XL協(xié)議控制器在仲裁數(shù)據序列（ADS）和數(shù)據仲裁序列（DAS）字段期間發(fā)出模式切換信號。為了使接收節(jié)點能夠讀取0電平/1電平信號，接收器需要切換到FAST RX模式并相應調整閾值。為了切換接收器模式，接收節(jié)點在其TxD引腳發(fā)送1電平信號，以在整個數(shù)據階段通知模式更改。PMA在CAN XL幀的仲裁到數(shù)據高位（ADH）和數(shù)據到仲裁高位（DAH）期間進行模式切換。

ADS字段由四位組成，即ADH、DH1、DH2和DL1，如下圖1所示。ADH位是具有標稱位時間的最后一位，通過穩(wěn)定時間進行評估，以確保對后續(xù)的DH1位（即CAN XL數(shù)據字段中的第一位）進行正確采樣。由于協(xié)議控制器會忽略ADH位，因此這種切換場景對于整個網絡驗證的影響較小。不過，在包含許多反射的大型網絡中，仍需要對此進行檢查。

圖1：仲裁到數(shù)據階段的模式切換

需要注意的是，在這種模式下，錯誤信號是禁用的。因此，無需對接收自身消息的情況進行驗證。

在FAST模式下，輸出信號是0電平和1電平的對稱交替差分信號，這兩個電平均由發(fā)送器控制。此外，根據參考文獻[2]，F(xiàn)AST模式下接收器的閾值為±100mV，兩個電平相對于接收器閾值是對稱的。因此，與之前所有的實現(xiàn)方式相比，發(fā)送器和接收器中的信號不對稱性現(xiàn)在都顯著減小。

隨著在FAST模式下實現(xiàn)高達20Mbit/s的更高數(shù)據比特率，眼圖分析對于驗證和評估CAN XL網絡的數(shù)據階段至關重要。穩(wěn)定時間僅考慮位的縮短情況，而眼圖則考慮了FAST模式下所有位的縮短、延長以及轉換和總線電平。

03# 眼圖和采樣點的功能描述

眼圖（Eye diagram）通常用于在幅度/時間域圖中，將傳輸?shù)谋忍亓鞯母鞣N信號轉換顯示為信號時鐘的函數(shù)。對于CAN XL，F(xiàn)AST模式下的各個信號轉換會疊加形成一個 「眼圖」。通過這種可視化形式，可以顯示并輕松評估各種影響因素，如抖動、噪聲、偏移、振鈴和其他網絡效應，以檢查信號完整性。此外，還可以利用上升/下降時間和符號持續(xù)時間。

評估這些影響因素的一個基本標準是一個多邊形，也稱為眼圖模板。多邊形的形狀主要是根據最新的ISO-11898標準選擇的參數(shù)來確定的。用于定義眼圖模板區(qū)域的參數(shù)如下：

√ 比特率

√ 溫度（低溫/室溫/高溫）

√ 上下電壓電平（閾值）

√ 上升/下降時間（20%-80%）

√ 位寬變化（發(fā)送/接收）

√ 通信控制器

√ 時鐘容差（振蕩器/鎖相環(huán) - PLL）

在評估時，將此眼圖模板放置在眼圖開口處。然后使用采樣點確定眼圖模板在眼圖開口中的最終位置。

眼圖模板在眼圖中的位置，以及選定的影響因素與信號曲線的對應關系，如下圖2所示。

圖2：眼圖-嵌入眼圖模板并標注影響因素

以下因素對采樣點位置的選擇非常重要：

■ 時鐘容差

■ 控制器影響

■PMA影響

■ 網絡效應

這些因素會導致位長縮短或延長，如下圖3所示。因此，F(xiàn)AST模式的采樣點應位于位長的大約50%至80%之間。當采樣點的位置發(fā)生偏移時，眼圖模板的位置也必須相應調整。

圖3：各因素對采樣點位置的影響

如果信號序列位于此眼圖模板內，則信號完整性受到損害，傳輸?shù)谋忍亓髦锌赡軙霈F(xiàn)位錯誤。在這種情況下，眼圖模板被違反，必須判定為 「失敗」。如果眼圖模板未被違反，則判定為 「通過」。

此處描述的過程將在下面的章節(jié)中，在最壞情況下通過示例網絡進行軟件驗證評估。它展示了如何使用上述眼圖和眼圖模板進行驗證，以及是否需要考慮任何額外的條件和參數(shù)。

04# 示例網絡描述和驗證的一般條件

該網絡由九個節(jié)點組成，總電纜長度為24.85米。距離最遠的兩個節(jié)點相距14米，并且每個節(jié)點都端接一個100Ω的電阻。CAN XL通信通過特殊的評估板進行。

網絡中使用了以下電氣元件：

■ CAN XL通信控制器（CAN XL IP）

■ CAN SIC XL收發(fā)器

■PMA影響

■ 網絡效應

所選的收發(fā)器和控制器符合最新的ISO 11898標準要求。使用的CMC和UTP也滿足CAN XL網絡通信的要求。

圖4：用于仿真和測量的示例網絡

為驗證選擇了以下特殊的框架條件：

■ 對于示例網絡中FAST模式下的傳輸：選擇了一種最壞情況模式，該模式由比特流信號轉換的所有可能組合組成。

■為了產生盡可能強的振鈴：選擇的網絡結構使網絡節(jié)點的不同長度盡可能多地相互成倍數(shù)關系。

■ 使用10Mbit/s和12.3Mbit/s的比特率。選擇的比特率越高，結合采樣點在眼圖開口中定位眼圖模板的變化就越少。

仿真結果的驗證是通過定義的測試設置和上述特殊框架條件進行的。

05# 評估標準

通常，作為網絡驗證的一部分，需要測試每一種可能的網絡發(fā)送器和接收器組合。對前面描述的示例網絡進行了此項測試。不過，為突出兩個選定的節(jié)點，此處并未提及所有組合。根據定義的評估標準，未在此列出的節(jié)點在12.3Mbit/s和10Mbit/s速率下均通過了測試。考慮到上述框架條件，使用軟件仿真對物理層進行驗證得到以下結果。

在10Mbit/s的比特率下，網絡通過了仿真測試。在12.3Mbit/s的比特率下，網絡未通過仿真測試。還需要注意的是，驗證是在室溫下進行的。

作為結果的額外保障，使用了評估板可用的配置軟件來檢查協(xié)議IP內的錯誤情況。該軟件可用于確定發(fā)送的信號是否能夠被接收和解碼。

可以得出結論，通過仿真獲得的眼圖與通過測量記錄的眼圖幾乎相同，這適用于兩種比特率。

12.3Mbit/s的驗證

在仿真和測量結果的圖5和圖6中，可以觀察到基于選定的采樣點，眼圖模板被違反。將采樣點向右移動1個最小時間量子（MTQ），眼圖模板也隨之移動，這只會減少違反的程度，但眼圖模板仍會被違反，而且現(xiàn)在是兩側都被違反！

圖5：12.3Mbit/s FAST模式仿真眼圖圖6：12.3Mbit/s FAST模式測量眼圖

通過評估板的軟件確認，兩個選定節(jié)點之間的傳輸存在故障，如圖7所示。因此，該網絡未通過驗證。

圖7：12.3Mbit/s評估板軟件結果

10Mbit/s的驗證

在10Mbit/s的比特率下，根據選定的采樣點，仿真（圖8）和測量（圖9）的眼圖模板均未受損。在指定范圍內將采樣點向左或向右移動1個MTQ，不會導致眼圖模板被違反。評估板的軟件確認選定節(jié)點之間的傳輸無錯誤（圖10）。

圖8：10Mbit/s FAST模式仿真眼圖圖9：10Mbit/s FAST模式測量眼圖圖10：10Mbit/s評估板軟件結果

與12.3Mbit/s的比特率相比，10Mbit/s的比特長度增加了18.75ns，這使得振鈴現(xiàn)象不那么明顯，意味著眼圖開口在高度和寬度上都更大。與12.3Mbit/s相比，偏移也顯著減小。

盡管將比特率降低到10Mbit/s后，網絡的信號表現(xiàn)有所改善，但評估不能僅考慮室溫條件。下圖11展示了在單個眼圖中，通過仿真得到的高溫、室溫和低溫下的信號表現(xiàn)?？梢悦黠@看出，眼圖模板未被違反，因此，該網絡在三種溫度下均通過了驗證。不過，像生產過程中的差異等因素，即使在10Mbit/s的速率下也可能導致測試失敗。

圖11：10Mbit/s FAST模式下隨溫度變化的眼圖仿真

06# 總結

作為CAN家族的一項新技術，CAN XL不僅帶來了諸如更高比特率、更大有效載荷、新填充規(guī)則和模式切換功能等創(chuàng)新。

這些創(chuàng)新也伴隨著對網絡的新要求，需要對其進行評估和驗證。這包括從SIC模式到FAST模式的轉換以及FAST模式本身。

在仿真和測量中，都以相同的采樣點設置為基礎。由于對比的眼圖幾乎相同，所以兩種評估結果一致。仿真結果也通過測量結果得到了驗證。因此，所使用的模型和自動化工具已經達到了很高的水平。

通過示例網絡已經證明，仿真是驗證CAN XL網絡的有力工具?；诖耍?span style="background-color:rgba(105,205,232,.12);">未來在指定標準和不同條件（如溫度相關場景、電源電壓Vcc變化和生產公差）的框架內，使用本文介紹的驗證和評估方法通過軟件仿真來評估CAN XL網絡的FAST模式就足夠了。這使得在不同的網絡設計下，能夠快速、有效且精確地在既定標準和條件下進行驗證和評估。

07# 未來展望

CAN XL憑借其更高的帶寬和傳輸速度，需要對更多可能影響信號完整性的因素進行細致考量。在早期CAN網絡的驗證中，這些因素并未得到充分考慮。對于CAN、CAN FD和CAN FD SIC而言，這些因素的影響較小，因此在網絡驗證中常常被忽視。然而，對于CAN XL，它們應當?shù)玫竭M一步的研究和明確界定。

特別是特殊電子和電氣元件的使用，如共模扼流圈（CMC）、靜電放電（ESD）二極管、連接器或非屏蔽雙絞線（UTP）電纜的非扭絞區(qū)域，現(xiàn)在可能對信號完整性產生更大的影響。近端串擾和遠端串擾在CAN和CAN FD中并不重要，但由于CAN XL帶寬的增加，它們可能會更頻繁地出現(xiàn)。

因此，可以預計未來需要為CAN XL網絡優(yōu)化特殊電氣元件的設計，以最大程度地減少各種影響因素。

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參考文獻

[1] Isensee, Patrick; Ishikawa, Manabu: CAN FD Network Validation Simulation, validation criteria and an automated evaluation, 2017

[2] NA 052 - 00 - 31 - 03 AK (ISO/FDIS 11898 - 2): 29.11.2023, Road vehicles – Controller area network (CAN) – Part2: High - speed physical medium attachment (PMA) sublayer

文章來源

本文基于Ayat Taleb Alashkar和Christopher Walkhoff（C&S集團技術專家）在第18屆國際CAN大會（iCC）的演講。已刊于《第18屆iCC會議論文集》2024版，由CiA出版。虹科智能互聯(lián)團隊翻譯并分享，旨在與行業(yè)同仁共享前沿技術成果。????

審核編輯 黃宇