CAN XL协议标准在CANoe中的应用

众所周知，CAN通信技术在汽车领域中，有着非常广泛的应用。从1991年，第一代经典CAN在奔驰S级轿车中首次应用；到2011年，开始第二代CAN总线（即CAN FD）的开发；如今，ISO 11898-1：2024以及ISO 11898-2：2024版本的发布，标志着第三代CAN总线——CAN XL的时代将要来临。

在已有CAN 和CAN FD总线的情况下，为什么还要推出 CAN XL呢？当前，常用的车载总线包含了低速率总线和高速率总线，其中CAN、CAN FD、FlexRay等属于低速率总线，以太网（100/1000BASE-T1）属于高速率总线。在车载网络中，大部分控制节点的通信速率在10 Mbit/s以内，因此10 Mbit/s的通信速率有着非常广泛的应用领域。于是，为了顺应这种新的需求，低速率总线得到提升，也就有了CAN XL，通过CAN XL弥补了CAN FD与100BASE-T1之间的空白。

在已发布的ISO 11898-1：2024以及ISO 11898-2：2024的标准中，详细的说明了CAN XL数据帧的结构，其中CAN XL帧的数据段支持高达2048字节的数据传输，理论上CAN XL技术可以适配以太网的高层协议，不过具体的以太网协议兼容性仍需进一步验证。此外，CAN XL在PCS和PMA子层之间引入了PWM编解码机制，以切换PMA子层的两种总线驱动方式（显性/隐性和Level_0/Level_1），从而实现更高的传输速率。

下面将介绍CAN XL在CANoe软件中的应用，从应用中了解CAN XL协议的具体信息。

一、CANXLBasic.cfg工程

以CANoe 18.0 SP2中的DEMO工程CANXLBasic.cfg为例，该示例演示了CAN XL协议在音视频流中的应用。

注：该DEMO工程在CANoe 17.0 SP3及以上版本中存在。

图 1 CAN XL示例工程路径

在CANXLBasic.cfg这个工程中，设置了两路通道，一路通道作为数据发送方，另一路作为数据接收方，即在Panel面板中设计了MediaClient和MediaServe两个面板。

MediaClient面板用于控制音频流的播放，其面板内的时间指示器将实时显示音频文件的播放时间，当音频流停止并重新启动时，数据再次开始传输。

MediaServe面板显示音频文件的相关信息，在MediaClient启动音频流后，MediaServe中的Media File Information区域会显示当前媒体文件、采样率、媒体类型以及服务状态等信息，Frame Information区域则会显示报文周期和报文数据长度。注意：MediaServe中的FrameFormat可以将协议配置为CAN XL或者CAN FD，但如果选择CAN FD，声卡上的音频流输出将出现问题，这表明CAN FD在这种情况下是不够的。

图 2 CAN XL的示例工程

在仿真模式（Simulated Bus）下运行CANXLBasic.cfg工程，当MediaServe面板中的协议类型设置为CAN XL时，Trace窗口自动将Column Layout切换为CAN XL Layout1，即Trace窗口条目栏的解析模板将切换为CAN XL模式，Trace窗口可实时监控并分析CAN XL数据传输情况，通过该窗口，可以查看CAN XL报文的详细信息，包括DLC（数据场长度）、Data（数据场）、SEC(功能保留位)、SDT（数据段数据类型）、VCID(虚拟CAN网络ID)、AF（寻址）等。

图 3 MediaServe协议为CAN XL

当MediaServe面板中的协议类型设置为CAN FD时，Trace窗口可实时监控并分析CAN FD数据传输情况。此时CAN Statistics窗口中的总线负载率超过了90%，在这种高负载的情况下，系统可能无法有效处理所有的数据帧，从而会导致通信延迟或丢帧。MediaClient中播放的音频质量则会下降，变成杂音，这种情况表明CAN FD的速率无法满足该音频流的传输需求。

图 4 MediaServe协议为CAN FD

在真实模式（Real Bus）下运行CANXLBasic.cfg工程，需要带有CAN XL驱动程序的VN1670或者VN1641硬件。在进行硬件配置时，在Network Hardware Configuration中将总线模式配置成CAN XL，总线速率设置为8000kBit/s，在后续实际的应用中，或许可以设置的更高，在ISO 11898-1：2024中已发布，CAN XL的数据场的速率可以达到10Mbit/s，甚至最高可以提速到20 Mbit/s。

图 5 Network Hardware Configuration配置

二、CAN XL报文

已发布的ISO 11898-1：2024中，详细的说明了CAN XL报文的结构，如下图所示：

图 6 CAN XL数据帧结构

CAN XL报文解析，当XLF位置为1时，表示该帧为CAN XL报文。CAN XL报文有两种CRC校验方式，即PCRC(前置CRC校验)和FCRC（后置CRC校验）。PCRC共13bits，主要校验仲裁场、reXEL、ADS、SDT、SEC、DLC和SBC的内容；FCRC共32bits,用于整帧CRC校验，确保整个数据帧的数据完整性。

此外，当前Trace窗口下所选报文的有效字节数为1920个字节，显著高于CAN FD的字节数。相比之下，标准以太网帧的最大长度为1518个字节，考虑到以太网头部和尾部，实际有效载荷会更小。因此，CAN XL的1920字节有效载荷容量远超以太网帧的最大有效载荷，这使得CAN XL能够在单个帧中传输更多数据，特别适用于需要大量数据传输的应用场景。

图 7 Trace窗口报文解析

三、硬件适配

CANoe 16.0开始可以支持CAN XL总线，但是从CANoe 16.0一直到CANoe 18.0的版本中，并没有新建CAN XL总线工程的模板，用户可以通过新建CAN/CAN FD总线工程，然后在Network Hardware Configuration中配置CAN XL的协议（如图5所示），以此建立CAN XL总线通信。

图 8新建CAN XL工程

当前可支持CAN XL的硬件接口卡为VN1670、VN1641。VN1641支持CAN XL的最大速率可达到20Mbit/s，这取决于线路和收发器的配置，即需要选择CAN SIC XL型收发器。注意：当总线速率超过5 Mbit/s时，需要将CAN SIC XL Piggyback配置为FAST Mode。

图 9 CAN收发器型号

图 10控制器与收发器模式

CAN SIC XL收发器需要同时支持显性/隐性与Level_0/Level_1两种驱动方式，即支持两种发送模式: SIC Mode和FAST Mode。在仲裁段采用SIC Mode，此时收发器支持显性/隐性的驱动方式即可，CAN SIC XL收发器亦可以作为CAN SIC收发器使用。在数据段可通过模式转换进入FAST Mode，此时收发器需要支持Level_0/Level_1的驱动方式，当CAN XL控制器发送PWM信号到收发器，收发器检测到PWM信号时，将从SIC Mode转换到FAST Mode，之后如果没有再次检测到PWM信号，收发器会切换回SIC Mode。

注意：VN1670需在CANoe 15.0 SP3以上版本使用，支持Windows 10/ Windows 11系统，若要将其用作支持CAN XL总线的硬件，则需搭配CANoe 16.0及以上的软件，由于CANoe 16.0及以上版本软件仅支持Windows 11系统，因此VN1670在做CAN XL数据收发时，仅支持Windows 11系统。VN1641目前仅支持CANoe 18.0以上的版本，同时只支持Windows 11系统。