随着汽车和工业应用中数据通信量的增加，传统的CAN协议已无法满足更高的数据速率需求。传统CAN协议在数据速率和总线负载能力方面存在限制，难以满足高带宽和高实时性的应用场景。为此，CAN XL（Controller Area Network eXtended Large）应运而生。

作为 CAN 协议家族的第三代协议，CAN XL 在物理层实现了高达 20 Mbit/s 的数据传输速率，单帧数据长度扩展到了2048字节数据字段，显著提升了通信效率。将以太网帧映射到 CAN XL 帧，集成到以太网环境中，适应更高的数据传输速率和更复杂的应用场景。

01CAN XL 协议

自 1986 年问世以来，CAN 协议已在汽车工业中广泛应用，并逐步演化出三代协议：CAN 2.0、CAN FD 和 CAN XL。根据ISO OSI层模型，CAN应用通常涵盖物理层、数据链路层和应用层。图1显示了CAN协议底层的典型架构。其中PMA层将逻辑信号转换为物理电平CAN_H和CAN_L信号并通过MDI接口传递给PMD子层，由PMD子层完成在物理介质上的实际驱动与接收。

图1 CAN 协议底层实现

区别于CAN/CAN FD，CAN XL协议在PCS和PMA子层中增加了PWM编/解码，将PMA子层的总线驱动方式从显性/隐性和level_0/level_1之间切换，实现数据段速率提升，并且兼容传统CAN的NRZ编码，是在物理上实现高速数据传输和模式动态切换的核心技术。

CAN XL工作模式

CAN帧由三个主要阶段构成，包括仲裁阶段（Arbitration Phase），数据阶段（Data Phase）和仲裁阶段（Arbitration Phase）。每个阶段包含不同的字段，用于实现总线仲裁、数据传输和错误校验等功能。

CAN 控制器（controller）在协议层用来将报文转换成符合CAN规范的CAN帧，并以二进制码流方式发送，实现CAN 总线协议底层和数据链路层，定义通信规则与速率上限。CAN收发器（transceiver）用来将逻辑电平转化为差分电平，应用于CAN总线的物理层，搭配不同的收发器，决定了物理信号的实际传输能力。

图2 CAN/CAN FD/CAN XL三种信号速率和传输模式对比

具体来说，在控制器模式下允许仲裁阶段的CAN信号数据速度达到500kbit/s，而在CAN FD协议信号中数据段速率会高达8Mbit/s，在CAN XL协议信号中搭配CAN SIC-XL快速模式的收发器实现了20Mbit/s的数据速率。

CAN和CAN FD信号的收发器工作模式为normal，驱动电平为显性电平和隐性电平。CAN XL信号的标准工作模式为SIC模式，同样驱动电平为显性电平和隐性电平，用于仲裁阶段和数据阶段。SIC XL控制器可以在数据阶段将收发器切换到Fast模式，此时采用Level_0/Level_1作为驱动电平，输出的将是交替差分信号，有效减少反射和信号畸变。

CAN XL帧结构

下面介绍CAN XL帧的主要组成部分。在仲裁阶段包括Priority ID，XL，ADS。Priority ID共11位，总线仲裁优先级标识符，用于处理优先级；XL包含多个bit，隐形电平标识CAN XL帧，区分CAN/CAN FD；ADS从仲裁阶段转到数据阶段，包含4个固定位，ADH位以后进入快速阶段。

数据阶段包含控制字段，数据字段和循环冗余校验字段。SDT共8位协议类型标识符，表示数据段封装类型；SEC共1位，表示对否为加密数据；DLC共11位，定义数据段长度；SBC共3位，是动态填充位计数；PCRC共13位，用于校验仲裁段和控制段数据完整性；VCID共8位，虚拟 CAN 通道标识符，类似以太网中的VLAN；AF共32位，用于寻址的字段；Data bytes有1~2048个字节，传输速率在10M或更高；FCRC共32位，用于数据校验。

在仲裁阶段包含应答字段和结束字段。DAS从数据段向仲裁段转化，包含4个固定位；ACK共6位，显性电平表示确认收到数据帧；EOF共7位表示帧结束。