?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(wǎng)絡協(xié)議），其靈活的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)（CAN），也就是經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jù)類型和尋址。

由于其多功能性、高可靠性、高數(shù)據(jù)速率和靈活的網(wǎng)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(wǎng)絡結構取決于傳輸速度。在車輛中使用時，需要對網(wǎng)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(wǎng)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(jù)傳輸錯誤（錯誤幀）。這樣的網(wǎng)絡不適合在車輛中使用，必須根據(jù)要求進行調整。

靈活數(shù)據(jù)速率控制器局域網(wǎng)（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(jù)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(jù)階段相關的采樣時間范圍帶來了進一步限制。網(wǎng)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡中出現(xiàn)。這些效應也是由各種網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(jù)類型的信息現(xiàn)在位于數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡的驗證工作。對設計者工作產(chǎn)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(jù)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(jù)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。

---

在網(wǎng)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(jù)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(jù)階段的驗證過程與CAN FD采用相同的標準，包括：

■ 考慮數(shù)據(jù)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)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。

---

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(jù)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(jù)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(jù)序列（ADS）和數(shù)據(jù)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(jù)階段通知模式更改。PMA在CAN XL幀的仲裁到數(shù)據(jù)高位（ADH）和數(shù)據(jù)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(jù)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(wǎng)絡驗證的影響較小。不過，在包含許多反射的大型網(wǎng)絡中，仍需要對此進行檢查。

圖1：仲裁到數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)比特率，眼圖分析對于驗證和評估CAN XL網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡描述和驗證的一般條件

該網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡通信的要求。

圖4：用于仿真和測量的示例網(wǎng)絡

為驗證選擇了以下特殊的框架條件：

■ 對于示例網(wǎng)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(chǎn)生盡可能強的振鈴：選擇的網(wǎng)絡結構使網(wǎng)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(wǎng)絡驗證的一部分，需要測試每一種可能的網(wǎng)絡發(fā)送器和接收器組合。對前面描述的示例網(wǎng)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(jù)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(wǎng)絡通過了仿真測試。在12.3Mbit/s的比特率下，網(wǎng)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)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)。可以明顯看出，眼圖模板未被違反，因此，該網(wǎng)絡在三種溫度下均通過了驗證。不過，像生產(chǎn)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(wǎng)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(jīng)達到了很高的水平。

通過示例網(wǎng)絡已經(jīng)證明，仿真是驗證CAN XL網(wǎng)絡的有力工具。基于此，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(chǎn)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(wǎng)絡的FAST模式就足夠了。這使得在不同的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)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。

---

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