Шина CAN-bus была создана в конце 80-х годов фирмой Robert Bosch GmbH (Германия) как решение для распределенных систем, работающих в режиме реального времени. Отличительной особенностью шины является ее высокая помехозащищенность. Дополнительным преимуществом шины CAN выступает ее устойчивость к механическим повреждениям - замыкание проводников шины на общий провод, питание или между собой не приводит к выходу из строя устройств. Более того, некоторые модификации шины способны функционировать при обрыве одного из проводников.
CAN-шина в промышленных сетях
Полевая шина CAN (Controller Area Network) характеризуется высокими скоростью передачи данных и помехоустойчивостью, а также способностью обнаруживать любые возникающие ошибки. Благодаря этому CAN сегодня широко используется в таких областях, как автомобильный и железнодорожный транспорт, промышленная автоматика, авиация, системы доступа и контроля. По данным ассоциации CiA (CAN in Automation, www.can-cia.de), в настоящее время в эксплуатации находится около 300 млн CAN-узлов по всему миру. В Германии CAN-шина занимает первое место по популярности среди остальных полевых шин.
Характеристики протокола CAN Преимущества CAN
Общая тенденция в области автоматизации состоит в замене традиционной централизованной системы управления на распределенное управление путем размещения интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов рядом с управляемым процессом. Это вызвано ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений, сложностью диагностики ошибок и проблемами с надежностью. Связь между узлами такой системы осуществляется с помощью полевой шины. CAN - это система связи для многоконтроллерных систем. Рассмотрим более подробно преимущества CAN и причины, по которым CAN приобретает все большее распространение.
Испытанный стандарт. Протокол CAN активно используется уже более 20 лет, что очень важно для таких консервативных областей как железнодорожный транспорт или судостроение. CAN был разработан в 1980 г. фирмой Robert Bosch для автомобильной промышленности. CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений. Низкая стоимость определяется хорошим соотношением цена/производительность, также широкой доступностью CAN-контроллеров на рынке. Надежность определяется линейной структурой шины и равноправностью ее узлов, так называемой мультимастерностью (Multi Master Bus), при которой каждый узел CAN может получить доступ к шине. Любое сообщение может быть послано одному или нескольким узлам. Все узлы одновременно считывают с шины одну и ту же информацию, и каждый из них решает, принять данное сообщение или игнорировать его. Одновременный прием очень важен для синхронизации в системах управления. Отказавшие узлы отключаются от обмена по шине.
Высокая помехоустойчивость достигается благодаря подавлению синфазных помех дифференциальным приемопередатчиком, работе встроенных механизмов обнаружения ошибок (одна необнаруженная ошибка за 1000 лет при ежедневной 8-часовой работе сети на скорости 500 Кбит/с), повтору ошибочных сообщений, отключению неисправных узлов от обмена по шине и устойчивости к электромагнитным помехам.
Гибкость достигается за счет простого подключения к шине и отключения от шины CAN-узлов, причем общее число узлов не лимитировано протоколом нижнего уровня. Адресная информация содержится в сообщении и совмещена с его приоритетом, по которому осуществляется арбитраж. В процессе работы возможно изменение приоритета передаваемого сообщения. Следует также отметить возможность программирования частоты и фазы передаваемого сигнала и арбитраж, не разрушающий структуру сообщений при конфликтах. На физическом уровне есть возможность выбора разнотипных линий передачи данных: от дешевой витой пары до оптоволоконной линии связи.
Работа в реальном времени становится возможной благодаря механизмам сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбит/с), быстрой реакцией на запрос передачи и изменяемой длиной сообщения от 0 до 8 байт.
Приложения CAN
CAN является идеальным решением для любого приложения, где микроконтроллеры обмениваются сообщениями друг с другом и с удаленными периферийными устройствами. Изначально CAN использовался в автомобилях для обеспечения критичного по времени управления и обмена информацией между двигателем и коробкой передач при гарантированном времени ожидания сообщения и допуске каждого из участников сети к работе с текущими данными. Наряду с достаточно дорогими высокоскоростными решениями существуют и экономичные решения для подключения к сети инерционных устройств, которые работают в шкале времени сотен микросекунд (система управления дверьми, подъемник окна, управление зеркалом). При этом мощные жгуты электрических проводов заменяются двухпроводной CAN-сетью, узлами которой являются, в том числе, тормозные огни и указатели поворота.
Широкое применение CAN нашел в промышленной автоматике, где имеется большое число устройств управления, датчиков, механизмов, электроприводов и других объектов, которые связаны единым технологическим циклом (системы отопления и кондиционирования, насосы, конвейеры, лифты, эскалаторы, транспортеры и т. д.). Важной особенностью таких систем является возможность диагностики и управления объектами, расположенными на большой территории, по адаптивным алгоритмам. В результате достигается существенное уменьшение потребляемой мощности, шума, износа оборудования. Подобная картина наблюдается и в железнодорожных бортовых системах, где решающую роль играет обмен данными между подсистемами при наборе скорости, торможении, управлении дверьми и диагностике.
Физический уровень
Физический уровень CAN-шины представляет собой соединение «монтажное И» между всеми устройствами, подключенными к ней. Дифференциальные сигнальные линии называются CAN_H и CAN_L и в статическом состоянии находятся под потенциалом 2,5 В. Лог. 1 (рецессивный бит) обозначает состояние шины, при котором уровень на линии CAN_H выше, чем уровень CAN_L. При лог. 0 (доминантный бит) уровень на линии CAN_H ниже, чем уровень CAN_L. Принято следующее соглашение о состоянии шины: пассивное состояние шины соответствует уровню лог. 1, а активное - уровню лог. 0. Когда сообщения не передаются по шине, она находится в пассивном состоянии. Передача сообщения всегда начинается с доминантного бита. Логика работы шины соответствует «проводному И»: доминантный бит «0» подавляет рецессивный бит «1» (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Логика работы CAN шины
При физической реализации конкретного проекта с CAN необходимо определить свойства шины и ее узлов: где располагаются обрабатывающие устройства, какими свойствами они обладают, какие датчики и исполнительные механизмы присутствуют в системе, являются они интеллектуальными или нет, что можно сказать об их физическом расположении. В зависимости от условий эксплуатации могут использоваться однопроводная линия (в пределах печатной платы), двухпроводная линия, витая пара или волоконно-оптическая линия. При дифференциальном методе формирования сигналов двухпроводная линия позволяет значительно повысить помехоустойчивость. При использовании дифференциальных напряжений CAN-сеть продолжает функционировать в чрезвычайно шумной среде или при обрыве одной из сигнальных линий. Даже при простой витой паре дифференциальные входы CAN эффективно нейтрализуют шум.
Максимальная скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с при длине шины 40 м и около 40 Кбит/с при длине шины 1000 м.
Разновидности CAN
В настоящее время доступны различные устройства с CAN-интерфейсом, которые помимо передачи данных из одной точки в другую позволяют реализовать синхронизацию процессов и обслуживание по приоритетам. Более ранние реализации CAN-контроллеров используют кадры с 11-разрядным идентификатором и возможностью адресации до 2048 сообщений и соответствуют спецификации CAN V. 2.0A. Такие контроллеры носят название Basic CAN и характеризуются сильной загруженностью центрального процессора (ЦПУ), так как каждое входящее сообщение запоминается в памяти и ЦПУ решает, нужны ему данные сообщения или нет (рис. 12.2). Контроллеры Basic CAN содержат один передающий буфер и один или два приемных буфера сообщений. Чтобы послать или получить сообщение, требуется задействовать ЦПУ через прерывания «сообщение_послано» и «сообщение_получено». В результате проверки каждого входящего сообщения загрузка ЦПУ очень велика, что ограничивает реальную скорость обмена по сети. По этой причине такие контроллеры используются в сетях CAN с низкой скоростью обмена и/или малым количеством сообщений.
Рис. 12.2. Структура контроллера Basic CAN
Большинство выпускаемых сегодня CAN-контроллеров используют расширенные кадры сообщений с идентификатором длиной 29 разрядов, что позволяет адресовать до 536 млн сообщений. Такие контроллеры соответствуют спецификации CAN V. 2.0B (active) и называются контроллеры Full-CAN. В них предусмотрен буфер для нескольких сообщений, причем каждое сообщение имеет свою маску, и фильтрация осуществляется по соответствию идентификатора маске.
В случае Full-CAN ЦПУ максимально разгружено, поскольку не обрабатывает ненужные сообщения (рис. 12.3). При приеме сообщения с идентификатором, соответствующим маске, оно запоминается в специальной зоне двухпортового ОЗУ, и работа ЦПУ прерывается. Full-CAN имеет также специальный тип сообщения, которое означает: «у кого бы ни находилась эта информация, пожалуйста, пошлите ее сейчас же». Контроллер Full-CAN автоматически прослушивает все сообщения и посылает запрошенную информацию.
Рис. 12.3. Структура контроллера Full-CAN
До недавнего времени в промышленности был широко распространен Basic CAN с 11-разрядным идентификатором. Этот протокол допускает простую связь между микроконтроллерами и периферийными устройствами при скорости обмена вплоть до 250 Кбит/с. Однако при стремительном удешевлении CAN-контроллеров использование Full-CAN стало оправданным и для связи с медленными устройствами. Если в промышленных приложениях требуется высокоскоростной (до 1 Мбит/с) обмен данными, то непременно следует использовать Full-CAN.
Арбитраж узлов CAN-шины
CAN имеет много уникальных свойств, отличающих его от других шин. В протоколе CAN осуществляется посылка сообщений по общей CAN-шине, при этом отсутствуют адреса отправителя и получателя сообщения. Каждый узел постоянно «просматривает» шину и осуществляет локальную фильтрацию при приеме, используя битовые маски, и решает, какие сообщения извлекать из шины.
В результате, узел принимает и обрабатывает только те сообщения, которые предназначены именно для него.
Каждое сообщение имеет свой приоритет, значение которого содержится в идентификаторе сообщения. Кроме того, идентификаторы используются для обозначения типа сообщения. Сообщению с младшим номером идентификатора соответствует высший приоритет; наивысшим приоритетом обладает сообщение с идентификатором, состоящим полностью из нулей. Передача сообщения начинается с отправки на шину идентификатора. Если доступ к шине требуют несколько сообщений, то сначала будет передано сообщение с наиболее высоким приоритетом, то есть с меньшим значением идентификатора, независимо от других сообщений и текущего состояния шины. Каждый узел перед передачей сообщения проверяет, работает ли узел с более высоким приоритетом. Если да, то он возвращается в состояние приемника и пытается передать сообщение в другое время. Это свойство имеет особое значение при использовании в системах управления реального времени, поскольку значение приоритета жестко определяет время ожидания.
Если передача узла А приостанавливается узлом B, посылающим сообщение с более высоким приоритетом, то, как только шина освободится, будет сделана другая попытка передачи сообщения от узла A. Этот принцип получил название CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (общий доступ с опросом/предотвращение конфликтов). Такой режим в отличие от Ethernet не позволяет конфликтующим узлам в шине выяснять отношения, а сразу выявляет победителя и сокращает время обмена.
Итак, благодаря арбитражу шины сообщение с высшим приоритетом передается первым, обеспечивая функционирование системы в реальном масштабе времени и быструю передачу информации. Распределение приоритетов между различными типами сообщений задается разработчиком при проектировании сети.
Формат сообщений
Если не учитывать процедуру повтора сообщения, принятого с ошибкой, существует два вида связи между узлами: один узел передает информацию, а другой получает, или узел A запрашивает узел B о данных и получает ответ.
Рис. 12.4. Кадр данных (Data Frame)
Для передачи данных служит кадр данных - Data Frame (рис. 12.4), который содержит:
- идентификатор, указывающий на тип сообщения («скорость_двигателя», «температура_масла») и на приоритет доступа к шине. Поле идентификатора содержит различное количество бит в зависимости от разновидности протокола: в стандартном формате CAN V2.0A предусмотрен 11-разрядный идентификатор, а в расширенном CAN V2.0B - 29-разрядный;
- поле данных, содержащее соответствующее сообщение («скорость_двигателя»= 6000 об/мин, «температура_масла»=110 °C) длиной до восьми байт;
- два байта контрольной суммы - Cyclic Redundancy Check (CRC) для выявления и коррекции ошибок передачи.
Для запроса информации узел CAN использует кадр запроса данных Remote Frame (рис. 12.5), который содержит:
- идентификатор, определяющий тип запрашиваемой информации («скорость_ двигателя», «температура_масла») и приоритет сообщения;
- два байта контрольной суммы CRC .
Рис. 12.5. Кадр запроса данных Remote Frame
В этом случае за идентификатором не следуют данные и код длины данных не имеет прямого отношения к количеству байт данных. Узел, которому предложено передать информацию (датчик температуры масла), передает кадр данных, содержащий требуемую информацию. Таким образом, если узел А направляет узлу В кадр запроса с идентификатором «температура_масла», то узел В опрашивает датчик температуры и направляет узлу А кадр данных, содержащий идентификатор «температура_масла» и требуемую информацию.
Дополнительная информация, содержащаяся в кадре, позволяет определить формат и синхронизацию протокола передачи сообщения и тип посылки:
- какое сообщение послано - запрос о данных или собственно данные определяют бит удаленного запроса передачи (RTR для 11-разрядного идентификатора и SRR для 29-разрядного);
- код длины данных, сообщающий, сколько байтов данных содержит сообщение; все узлы принимают кадр данных, но те из них, которым эта информация не нужна, ее не сохраняют;
- для обеспечения синхронизации и контроля кадр содержит поля начала кадра Start of Frame, конца кадра End of Frame и подтверждения Acknowledgement Field;
- вход в режим синхронизации на шине осуществляется первым битом поля Start of Frame, далее синхронизация поддерживается фронтом при смене уровня посылаемых битов;
- используется механизм битстаффинга - вставка дополнительного бита при следующих подряд пяти нулях или единицах.
Обнаружение ошибок
Сигнализация об ошибках происходит путем передачи кадра ошибки Error Frame. Он инициируется любым узлом, обнаружившим ошибку. CAN-контроллеры используют метод статистической обработки ошибок. Каждый узел содержит счетчики ошибок при передаче и приеме Transmit Error Counter и Receive Error Counter. Если передатчик или приемник обнаруживают ошибку, значение соответствующего счетчика увеличивается. Когда значение счетчика превышает некоторый предел, текущая передача прерывается. Узел выдает сигнал об ошибке в виде Error Frame, где выставляет активный доминантный флаг ошибки длиной 6 бит. После этого узел, передача которого была прервана, повторяет сообщение. Ненадежным или частично поврежденным узлам разрешено посылать лишь пассивный рецессивный флаг ошибки.
В CAN существует несколько разновидностей ошибок. Из них три типа на уровне сообщений:
- CRC Error - ошибка контрольной суммы (при несовпадении принятой в поле CRC и вычисленной контрольных сумм).
- Form Error - ошибка формата кадра при несоответствии принятого сообщения формату CAN.
- Acknowledgement Error - ошибка подтверждения приема сообщения, если ни один из узлов не подтвердил правильного получения сообщения.
Кроме того, существует два типа ошибок на битовом уровне:
- Bit Error - обнаружение активным узлом расхождения между посланным в шину уровнем и фактическим значением за счет реализации узлом механизма самоконтроля.
- Stuff Error - наличие в поле сообщения шести следующих подряд бит 0 или 1 (ошибка битстаффинга).
Благодаря этим механизмам обнаружения и коррекции ошибок вероятность пропуска ошибки крайне мала. Например, при скорости 500 Кбит/с, загруженности шины 25 % и использовании в течение 2000 часов в год возникает лишь одна необнаруженная ошибка за 1000 лет. Кроме того, в шине невозможна ситуация блокировки неисправным узлом работы всей сети. Такие узлы обнаруживаются и отключаются от обмена по шине.
Для того чтобы упорядочить работу всех контроллеров, которые облегчают управление и повышают контроль вождения автомобилем, используется CAN-шина. Подключить такое устройство к сигнализации машины можно своими руками.
[ Скрыть ]
Что такое CAN-шина и принцип ее работы
КАН-шина представляет собой сеть контроллеров. Устройство используется для объединения всех управляющих модулей автомобиля в одну рабочую сеть с общим проводом. Этот девайс состоит из одной пары кабелей, которая называется CAN. Информация, передающаяся по каналам из одного модуля на другой, отправляется в закодированном виде.
Схема подключения устройств к CAN-шине в Мерседесе
Какие функции может выполнять CAN-шина:
- подключение к автомобильной бортовой сети любых девайсов и устройств;
- упрощение алгоритма подсоединения и функционирования вспомогательных систем машины;
- блок может одновременно получать и передавать цифровые данные из разных источников;
- использование шины снижает воздействие внешних электромагнитных полей на функционирование основных и вспомогательных систем машины;
- CAN-шина позволяет ускорить процедуру передачи информации к определенным устройствам и узлам автомобиля.
Эта система работает в нескольких режимах:
- Фоновый. Все устройства отключены, но на шину подается питание. Величина напряжения слишком мала, поэтому разрядить аккумуляторную батарею шина не сможет.
- Режим запуска. Когда автолюбитель вставляет ключ в замок и проворачивает его либо жмет кнопку Старта, происходит активация устройства. Включается опция стабилизации питания, которое подается на контроллеры и датчики.
- Активный режим. В этом случае между всеми контроллерами и датчиками происходит обмен данными. При работе в активном режиме параметр потребления энергии может быть увеличен до 85 мА.
- Режим засыпания или отключения. При глушении силового агрегата контроллеры КАН перестают функционировать. При включении режима засыпания все узлы машины отключаются от бортовой сети.
Канал Виалон СУшка в своем видео рассказал о КАН-шине и что надо знать про ее эксплуатацию.
Плюсы и минусы
Какими преимуществами обладает КАН-шина:
- Простота установки устройства в автомобиль. Владельцу машины не придется тратиться на монтаж, поскольку выполнить эту задачу можно самостоятельно.
- Быстродействие устройства. Девайс позволяет быстро обмениваться информацией между системами.
- Устойчивость к воздействию помех.
- Все шины обладают многоуровневой системой контроля. Ее использование дает возможность предотвратить появление ошибок при передаче и приеме данных.
- В процессе функционирования шина автоматически разбрасывает скорость по разным каналам. Это позволяет обеспечить оптимальную работу всех систем.
- Высокая безопасность устройства, при надобности система блокирует несанкционированный доступ.
- Большой выбор устройств различных типов от разных производителей. Можно подобрать вариант, предназначенный для конкретной модели авто.
Какие недостатки характерны для устройства:
- В девайсах бывают ограничения по объему передаваемых данных. В современных автомобилях используется множество электронных девайсов. Их большое количество приводит к высокой загруженности канала передачи информации. Это становится причиной увеличения времени отклика.
- Большая часть отправляющихся по шине данных обладает конкретным назначением. На полезную информацию отводится маленькая часть трафика.
- При использовании протокола высшего уровня автовладелец может столкнуться с проблемой отсутствия стандартизации.
Виды и маркировки
Самым популярным типом шин являются устройства, разработанные Робертом Бошем. Девайс может функционировать последовательно, то есть сигнал передается за сигналом. Такие устройства называются Serial BUS. В продаже можно встретить и параллельные шины Parallel BUS. В них передача данных осуществляется по нескольким каналам связи.
О разновидностях, принципе действия, а также возможностях КАН-шины можно узнать из видео, снятого каналом DIYorDIE.
С учетом разных типов идентификаторов можно выделить несколько видов устройств:
- КАН2, 0А Актив. Так маркируются устройства, которые поддерживают 11-битный формат обмена данными. Эти узлы не обозначают ошибки на импульсы 29-битного узла.
- КАН2, 0В Актив. Так маркируются девайсы, функционирующие в 11-битном формате. Основное отличие заключается в том, что при обнаружении идентификатора на 29 бит в системе они будут передавать на управляющий модуль сообщение об ошибке.
Надо учесть, что в современных машинах такие типы устройств не применяются. Это связано с тем, что работа системы должна быть согласованной и логичной. А в данном случае она может функционировать при нескольких скоростях передачи импульсов — на 125 либо 250 кбит/с. Более низкая скорость используется для управления дополнительных устройств, таких как осветительные приборы в салоне, электрические стеклоподъемники, стеклоочистители и т. д. Высокая скорость нужна для обеспечения рабочего состояния трансмиссии, силового агрегата, системы ABS и т. д.
Разновидность функций шин
Рассмотрим, какие существуют функции у различных девайсов.
Девайс для автомобильного двигателя
При соединении устройства обеспечивается быстрый канал передачи данных, по которому информация распространяется со скоростью 500 кбит/с. Основное предназначение шины заключается в синхронизации работы управляющего модуля, к примеру, коробки передач и мотора.
Устройство типа Комфорт
Скорость передачи данных по этому каналу более низкая и составляет 100 кбит/с. Функция такой шины заключается в соединении всех устройств, относящихся к данному классу.
Информационно-командный девайс
Скорость передачи данных такая же, как и в случае с устройствами типа Комфорт. Главная задача шины заключается в обеспечении связи между обслуживающимися узлами, к примеру, мобильным девайсом и системой навигации.
Шины от разных производителей приведены на фото.
1. Устройство для автомобильного ДВС 2. Интерфейсный анализатор
Могут ли быть проблемы в работе CAN-шин?
В современном авто цифровая шина используется постоянно. Она работает одновременно с несколькими системами, причем по ее каналам связи постоянно передается информация. Со временем в работе устройства могут возникнуть неполадки. В результате анализатор данных будет функционировать неверно. При обнаружении неполадок автовладелец должен найти причину.
По каким причинам возникают сбои в работе:
- повреждение или обрыв электроцепей устройства;
- произошло замыкание в системе на аккумулятор либо массу;
- могли замкнуть системы КАН-Хай или КАН-Лоу;
- произошло повреждение прорезиненых перемычек;
- разряд аккумуляторной батареи или снижение напряжения в бортовой сети, вызванное некорректной работой генераторного устройства;
- произошла поломка катушки зажигания.
При поиске причин учитывайте, что неисправность может заключаться в некорректной работе вспомогательных устройств, устанавливающихся дополнительно. К примеру, причина может заключаться в неправильном функционировании противоугонной системы, контроллеров и девайсов.
О ремонте CAN-шины приборной панели в автомобиле Форд Фокус 2 можно узнать из ролика, снятого пользователем Brock — Video Corporation.
Процесс поиска неисправности осуществляется так:
- Сначала автовладелец производит диагностику состояния системы. Целесообразно осуществить компьютерную проверку, чтобы выявить все неполадки.
- На следующем этапе производится диагностика уровня напряжения и сопротивления электрических цепей.
- Если все в порядке, то проверяется параметр сопротивления прорезиненых перемычек.
Диагностика работоспособности КАН-шины требует определенных навыков и опыта, поэтому процедуру поиска неисправностей лучше доверить специалистам.
Как подключить сигнализацию по CAN-шине
Для подключения КАН-шины своими руками к автосигнализации машины с автозапуском либо без него надо знать, где находится блок управления противоугонной системой. Если установка сигнализации осуществлялась самостоятельно, то процесс поиска не вызовет сложностей у автовладельца. Управляющий модуль обычно ставится под приборной панелью в районе рулевого колеса либо за контрольным щитком.
Как произвести процедуру подключения:
- Противоугонная система должна быть установлена и подключена ко всем узлам и элементам.
- Найдите толстый кабель оранжевого цвета, он подключается к цифровой шине.
- Адаптер противоугонной системы подсоединяется к контакту найденной шины.
- Производится монтаж устройства в надежном и удобном месте, девайс фиксируется. Надо заизолировать все электрические цепи, чтобы не допустить их перетирания и утечки тока. Производится диагностика правильности выполненной задачи.
- На завершающем этапе настраиваются все каналы для обеспечения рабочего состояния системы. Также надо задать функциональный ряд устройству.
Электрические цепи автомобилей усложнялись и разрастались год от года. Первые автомобили обходились без генератора и аккумулятора – зажигание работало от магнето, а фары были ацетиленовые.
К середине 70-х годов в жгуты увязывались уже сотни метров электрических проводов, автомобили по оснащённости электрикой, соперничали с легкомоторной авиацией.
Идея упрощения электропроводки лежала на поверхности – хорошо бы проложить в автомобиле всего один провод, нанизать на него потребителей и возле каждого поставить некое управляющее устройство. Тогда по этому проводу можно было бы пустить и энергию для потребителей (лампочек, датчиков, исполнительных устройств) и управляющие сигналы.
К началу 90-х развитие цифровых технологий позволило приступить к осуществлению этой идеи - компаниями BOSCH и INTEL был разработан сетевой интерфейс CAN (Controller Area Network) для создания бортовых мультипроцессорных систем реального времени.
В электронике проводную систему, по которой передаются данные, принято называть “шиной”.
Если данные передаются по двум проводам (т.н. “витая пара”) последовательно, импульс за импульсом – это будет последовательная шина (serial bus), если данные передаются по жгуту из нескольких проводов одновременно – это будет параллельная шина (parallel bus).
И хотя параллельная шина работает быстрее, для упрощения электропроводки автомобиля она не подходит – она её как раз только усложнит. Витая пара последовательной шины способна передавать до 1Мбит/сек, чего вполне достаточно.
Правила, по которым отдельные блоки обмениваются информацией, в электронике называются протоколом. Протокол позволяет посылать отдельным блокам отдельные команды, опрашивать каждый блок в отдельности или всех сразу. Кроме адресного обращения к устройствам, протокол предусматривает и возможность задания приоритетов самим командам. Например, команда на управление двигателем будет иметь приоритет перед командой на управление кондиционером.
Развитие и миниатюризация электроники позволяют теперь выпускать недорогие модули управления и связи, которые в автомобиле можно соединять в виде звезды, кольца или цепи.
Обмен информацией идет в обоих направлениях, т.е. можно не только включить например лампочку заднего хода, но и получить информацию светит ли она.
Получая информацию от различных устройств система управления двигателем выберет оптимальный режим, система кондиционирования включит отопление или охлаждение, система управления стеклоочистителем взмахнет щетками и т.п.
Значительно упрощается и система диагностики двигателя и всего автомобиля в целом.
И хотя главная мечта электрика – всего два провода по всей машине – ещё не сбылась, CAN шина значительно упростила электропроводку автомобиля и повысила общую надежность всей системы.
Итак, CAN-шина - это система цифровой связи и управления электрическими устройствами автомобиля, позволяющая собирать данные от всех устройств, обмениваться информацией между ними, управлять ими. Информация о состоянии устройств и командные (управляющие) сигналы для них передаются в цифровой форме по специальному протоколу двумя проводами, т.н. «витая пара». Кроме того к каждому устройству подается и питание от бортовой электросети, но в отличии от обычной проводки – все потребители соединены параллельно, т.к. нет необходимости вести от каждого выключателя до каждой лампочки свой провод. Это значительно упрощает монтаж, снижает число проводов в жгутах и повышает надёжность всей электросистемы.
Что такое CAN шина.
История появления CAN началась в середине 80-х годов прошлого века. Компания bosсh совместно с компанией intel разработали новый цифровой интерфейс для передачи данных — Controller Area Network (CAN).
Аналоговое подключение сигнализации (без CAN шины)
Зачем нужна CAN шина в автомобиле.
CAN шина позволяет соединить между собой любое количество датчиков, контроллеров, исполнительных элементов и прочих блоков, находящихся в автомобиле (например: системы ABS,SRS AIRBAG, ESP, иммобилайзер, блок управления двигателем, климат, КПП, центральный замок, свет, подвеска, приборная панель и т.д…) в дуплексном режиме (приём и передача данных) со скоростью до 1 Мбит/с. При этом сама can шина состоит всего из двух проводов (витая пара). Ранее для соединения блоков необходимо было использовать сотни проводов т.к. передача единицы информации от блока к блоку осуществлялась по отдельному проводу.
Установка сигнализации по CAN шине
Автосигнализации c CAN модулем.
CAN модуль
Современные автосигнализации производятся с интегрированным CAN модулем, что позволяет подключать автомобильную сигнализацию непосредственно к цифровой шине автомобиля CAN. Автосигнализация получает в цифровом виде информацию о состоянии концевиков, замков, зажигания, ручника, тахометра и т.д. а также может управлять замками дверей, стеклоподъемниками, люком, штатной сигнализацией и некоторыми другими системами автомобиля. позволяет значительно сократить вмешательство в штатную электропроводку (подключения производятся всего к 6-8 проводам, вместо 15-20 в варианте без использования can шины) и позволяет избежать проблем с гарантией на электрооборудование автомобиля.
Современный автомобиль это не только средство передвижения, но и продвинутый гаджет с мультимедийными функциями и электронной системой управления агрегатами и кучей датчиков. Многие автопроизводители предлагают функции ассистентов движения, помощников при парковке, мониторинга и управления авто с телефона. Это возможно благодаря использованию в авто CAN шины к которой подключены все системы: двигатель, тормозная система, руль, мультимедиа, климат и др.
Мой автомобиль Skoda Octavia 2011 г. в. не предлагает возможностей управления с телефона, поэтому я решил исправить этот недостаток, а заодно и добавить функцию голосового управления. В качестве шлюза между CAN шиной и телефоном я использую Raspberry Pi с шилдом CAN BUS и WiFi роутер TP-Link. Протокол общения агрегатов авто закрытый, и на все мои письма предоставить документацию протокола Volkswagen отвечал отказом. Поэтому единственный способ узнать, как общаются устройства в авто и научиться ими управлять является реверс-инжиниринг протокола CAN шины VW.
Я действовал поэтапно:
- Подключение к CAN шине авто
- Голосовое управление с помощью Homekit и Siri
Разработка CAN шилда для Raspberry Pi
Схему шилда взял здесь lnxpps.de/rpie , там же и описание выводов, для общения с CAN используются 2 микросхемы MCP2515 и MCP2551. К шилду подключаются 2 провода CAN-High и CAN-Low. В SprintLayout 6 развел плату, может кому пригодится CANBoardRPi.lay (на заглавном фото прототип шилда на макетке).
Установка ПО для работы с CAN шиной
На Raspbian 2-x годичной давность мне потребовалось пропатчить bcm2708.c, чтобы добавить поддержку CAN (возможно сейчас это не требуется). Для работы с CAN шиной нужно установить пакет утилит can-utils с github.com/linux-can/can-utils , после этого подгрузить модули и поднять can интерфейс: # initialize
insmod spi-bcm2708
insmod can
insmod can-dev
insmod can-raw
insmod can-bcm
insmod mcp251x
# Maerklin Gleisbox (60112 and 60113) uses 250000
# loopback mode for testing
ip link set can0 type can bitrate 125000 loopback on
ifconfig can0 up
Проверяем, что интерфейс CAN поднялся командой ifconfig
:
Проверить, что все работает можно отправив команду и получив ее.
В одном терминале слушаем:
Root@raspberrypi ~ # candump any,0:0,#FFFFFFFF
В другом терминале отправляем:
Root@raspberrypi ~ # cansend can0 123#deadbeef
Более подробный процесс установки описан здесь lnxpps.de/rpie .
Подключение к CAN шине авто
Немного изучив открытую документацию на CAN шину VW я выяснил, что у меня используется 2 шины.Шина CAN силового агрегата , передающая данные со скоростью 500 кбит/с, связывает все обслуживающие этот агрегат блоки управления.
Например, к шине CAN силового агрегата могут быть подключены следующие приборы:
- блок управления двигателем,
- блок управления АБС,
- блок управления системой курсовой стабилизации,
- блок управления коробкой передач,
- блок управления подушками безопасности,
- комбинация приборов.
Например, к шине CAN системы «Комфорт» и информационно<командной системы могут быть
подключены следующие приборы:
- блок управления системой Climatronic или климатической установкой,
- блоки управления в дверях автомобиля,
- блок управления системой «Комфорт»,
- блок управления с дисплеем для радио и навигационной системы.
Обе шины связаны через шлюз, который находится в области под рулем, так же к шлюзу подключен диагностический OBD2 разъем, к сожаление через OBD2 разъем нельзя послушать трафик от обеих шин, можно только передать команду и запросить состояние. Я решил, что буду работать только с шиной «Комфорт» и самым удобным местом подключения к шине оказался разъем в водительской двери.
Теперь я могу слушать, все что происходит в CAN шине «Комфорт» и отправлять команды.
Разработка сниффера и изучение протокола CAN шины
После того как я получил доступ к прослушиванию CAN шины, мне нужно расшифровать кто кому и что передает. Формат пакета CAN показан на рисунке.
Все утилиты из набора can-utils сами умеют разбирать CAN пакеты и отдают только полезную информацию, а именно:
- Идентификатор
- Длина данных
- Данные
Для macOS я написал простое приложение, которое для каждого адреса устройства добавляет ячейку в табличку и в этой ячейке я уже вижу какие данные меняются.
Нажимаю кнопку стеклоподъемника я нашел ячейку в которой меняются данные, затем я и определил какие команды соответствуют нажатию вниз, нажатию вверх, удержанию вверх, удержанию вниз.
Проверить, что команда работает, можно отправив из терминала, например команду поднять левое стекло вверх:
Cansend can0 181#0200
Команды, которые передают устройства по CAN шине в автомобилях VAG (Skoda Octavia 2011), полученные методом реверс-инжиниринг:
// Front Left Glass Up
181#0200
// Front Left Glass Down
181#0800
// Front Right Glass Up
181#2000
// Front Right Glass Down
181#8000
// Back Left Glass Up
181#0002
// Back Left Glass Down
181#0008
// Back Right Glass Up
181#0020
// Back Right Glass Down
181#0080
// Central Lock Open
291#09AA020000
// Central Lock Close
291#0955040000
// Update Light status of central lock (Когда отправляешь команду открыть/закрыть замок то на кнопке управления замком светодиод не изменяет состояние, чтобы он показал реальное состояние центрального замка, нужно отправить команду обновления)
291#0900000000
Мне было лень изучить все остальные устройства, поэтому в этом списке, только то что мне было интересно.
Разработка приложения для телефона
Используя полученные команды я написал приложение для iPhone, которое открывает/закрывает стекла и управляет центральным замком.На Raspberry Pi я запустил 2 маленьких сервера, первый отправляет данные с candump в TCP/IP, второй принимает команды от iPhone и передает их cansend.
Исходники приложения управления авто для iOS
//
// FirstViewController.m
// Car Control
//
// Created by Vitaliy Yurkin on 17.05.15.
// Copyright (c) 2015 Vitaliy Yurkin. All rights reserved.
//
#import "FirstViewController.h"
#import "DataConnection.h"
#import "CommandConnection.h"
@interface FirstViewController ()
Есть способ не писать свое приложение для телефона, а воспользоваться готовым из мира умных домов, всего лишь потребуется установиться на Raspberry Pi систему автоматизации