Что такое кан шина в авто. Описание CAN шины и как через нее подключить автосигнализацию

Количество установленных датчиков на современных моделях автомобилей зачастую позволяет называть их «компьютерами на колесах». Дабы привести в порядок управление многочисленными электронными системами, была создана CAN-шина. Что это и каковы принципы ее работы, рассмотрим в данной статье.

Историческая справка

Первые продукты автомобилестроительной отрасли обходились вовсе без электрических цепей. Для запуска двигателя автомобиля использовалось специальное магнитоэлектрическое приспособление, вырабатывающее электроэнергию из кинетической.

Однако постепенно машины все больше опутывались проводами, и в 1970-м году по степени напичканности различными датчиками они соперничали с самолетами. И чем больше приборов размещалось в автомобиле, тем очевиднее становилась необходимость рационализации цепей электропроводки.

Решение проблемы стало возможным с микропроцессорной революцией и проходило в несколько этапов:

  • В 1983 году немецкий концерн «Bosch» начал разработку нового протокола передачи данных для применения в автомобилестроительной отрасли;
  • Три года спустя на конференции в Детройте данный протокол был официально представлен широкой публике под названием «Сеть пространства датчиков» (Controller Area Network), или сокращенно по-английски CAN;
  • Практической реализацией германского изобретения занялись компании «Интел» и «Филипс». Первые прототипы датируются 1987 годом;
  • В 1988 году автомобиль БМВ 8-й серии стал первой сошедшей с конвейера машиной, на котором все датчики были организованы по технологии «КАН»;
  • Через три года «Бош» обновила стандарт и добавила новые характеристики;
  • В 1993 году стандарт «КАН» стал международным и получил классификатор ИСО;
  • В 2001 году каждое четырехколесное средство передвижения в Европе в обязательном порядке стало оснащаться КАН-шиной;
  • В 2012 году вышла новая версия шины: была повышена скорость передачи информации, а также организована совместимость с рядом новых устройств.

CAN-шина: принцип работы

Шина включает в себя лишь пару проводов, подсоединенных к единственному микрочипу. По каждому кабелю передаются несколько сотен сигналов одновременно на различные контроллеры автомобиля. Скорость передачи данных сравнима с широкополосным интернетом. Кроме того, в случае необходимости сигнал будет усилен до необходимого уровня.

Работу технологии можно разбить на несколько этапов:

  1. Фоновый режим - все узлы системы выключены, но на КАН-микрочип продолжает поступать электропитание. Уровень потребления энергии крайне мал и составляет крошечные доли миллиампер;
  2. Запуск - как только водитель поворачивает ключ зажигания (или нажимает на кнопку «Старт» для запуска двигателя - на некоторых моделях автомобилей), система буквально «просыпается». Включается режим стабилизации питания, поступающего на датчики;
  3. Активная работа - все контроллеры обмениваются необходимой (как диагностической, так и текущей) информацией. Уровень потребления электроэнергии возрастает на пиковых нагрузках до рекордных 85 миллиампер;
  4. Засыпание - как только выключается двигатель машины, датчики «КАН» мгновенно перестают работать. Каждый из узлов системы самостоятельно отключается от электрической сети и переходит в режим сна.

Что такое CAN-шина в автомобиле?

CAN применительно к автомобилю можно назвать «хребтом», к которому подсоединяются все электротехнические устройства. Сигналы имеют цифровой формат, а проводники к каждому контроллеру подсоединены параллельно. Благодаря этому достигается высокое быстродействие сети.

В современных автомобилях в единую сеть объединены датчики со следующих устройств:

  • Мотор;
  • Коробка переключения передач;
  • Эирбэги (подушки безопасности);
  • Антиблокировочная система;
  • Усилитель рулевого управления;
  • Зажигание;
  • Приборная панель;
  • Шины (контроллеры, определяющие уровень давления);
  • «Дворники» на лобовом стекле;
  • Мультимедийная система;
  • Навигация (ГЛОНАСС, GPS);
  • Бортовой компьютер.

Применение в других отраслях

Легкость и простота технологии «CAN» раскрывают возможности ее применения не только для «железных коней». Шина используется также в таких областях:

  • Производство велосипедов. Японская марка «Симано» анонсировала в 2009 году велосипед с многоуровневой системой управления механизма переключения скоростей на базе CAN. Эффективность этого шага была настолько очевидной, что по стопам «Симано» решили пойти и другие фирмы - «Маранц» и «Байон-икс». Последний производитель использует шину для системы прямого привода;
  • Известна реализация так называемого «умного дома» по принципу CAN-шины. Множество устройств, которые могут решать определенные задачи без участия людей (автоматический полив травы на газоне, термостат, система видеонаблюдения, управление освещением, климат-контроль и т. д.) объединены в единую систему передачи данных. Правда, специалисты находят применение сугубо автомобильной технологии в человеческом жилище достаточно сомнительным. В числе слабых сторон такого шага - отсутствие единого международного стандарта КАН для «умных домов».

Преимущества и недостатки

«КАН-шина» ценится в машиностроении за такие положительные качества:

  • Быстродействие: система приспособлена к работе в условиях жесткого цейтнота;
  • Относительная простота встраивания в машину и небольшой уровень затрат на проведение монтажных работ;
  • Повышенная толерантность к помехам;
  • Многоуровневая система контроля, позволяющая избежать многих ошибок в процессе выхода-входа данных;
  • Разброс скоростей работы позволяет приспособиться к практически любой ситуации;
  • Повышенный уровень безопасности: блокировка неавторизованного доступа извне;
  • Многообразие стандартов, а также компаний-производителей. Палитра имеющихся на рынке шин позволяет найти вариант даже для самой дешевой машины.

Несмотря на обилие преимуществ, технология CAN не лишена и ряда слабых сторон:

  • Объем информации, который доступен для одновременной передачи в «пакете данных», достаточно ограничен для современных требований;
  • Значительная часть передаваемых данных имеет служебное и техническое назначение. На собственно полезные данные приходится мизерная часть трафика в сети;
  • Протокол высшего уровня совершенно не стандартизирован.

Компания «Бош» изобрела не только свечу зажигания и топливный фильтр, но и своеобразный «интернет» для датчиков автомобиля под названием CAN-шина. Что это за стандарт в области связывания воедино всех контроллеров в единую нейросеть , стало известно около 30 лет назад.

Видео: как работает can-шина в авто

В данном ролике механик Артур Камалян расскажет, для чего используется can-шина в автомобиле и как к ней подключиться:

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:

  1. Подключение к CAN шине авто
  2. Голосовое управление с помощью Homekit и Siri
В конце видео голосового управления стеклоподъемником.

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.
Шина CAN системы «Комфорт» и информационнокомандной системы , позволяющая передавать данные со скоростью 100 кбит/с между обслуживающими эти системы блоками управления.

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.
Получив доступ к первой можно у управлять движением (в моем варианте на механике, как минимум можно управлять круиз контролем), получив доступ ко второй можно управлять магнитолой, климатом, центральным замком, стеклоподъемниками, фарами и др.

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
Данные передаются в не зашифрованном виде, это облегчило изучение протокола. На Raspberry Pi я написал маленький сервер который перенаправляет данные с candump в TCP/IP, чтобы на компьютере разобрать поток данных и красиво показать их.

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 () @property (nonatomic, strong) DataConnection *dataConnection; @property (nonatomic, strong) CommandConnection *commandConnection; @property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *Door_1; @property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *Door_2; @property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *Door_3; @property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *Door_4; @property (weak, nonatomic) IBOutlet UIButton *CentralLock; - (IBAction)lockUnlock:(UIButton *)sender; @end @implementation FirstViewController - (void)viewDidLoad { self.dataConnection = ; self.dataConnection.delegate = self; ; self.commandConnection = ; ; } - (void)didReceiveMemoryWarning { ; // Dispose of any resources that can be recreated. } - (void)doorStatusChanged:(char)value { /* 1 - Front Left Door 2 - Front Right Door 4 - Back Left Door 8 - Back Right Door 3 - Front Left&Right Door = 1 + 3 5 - Front& Back left Door = 1 + 4 */ // Front Left Door if (value & 1) { self.Door_1.backgroundColor = ; self.Door_1.text = @"Открыто"; NSLog(@"1"); } else { self.Door_1.backgroundColor = ; self.Door_1.text = @"Закрыто"; } // Front Right Door if (value & 2) { self.Door_2.backgroundColor = ; self.Door_2.text = @"Открыто"; NSLog(@"2"); } else { self.Door_2.backgroundColor = ; self.Door_2.text = @"Закрыто"; } // Back Left Door if (value & 4) { self.Door_3.backgroundColor = ; self.Door_3.text = @"Открыто"; NSLog(@"4"); } else { self.Door_3.backgroundColor = ; self.Door_3.text = @"Закрыто"; } // Back Right Door if (value & 8) { self.Door_4.backgroundColor = ; self.Door_4.text = @"Открыто"; NSLog(@"8"); } else { self.Door_4.backgroundColor = ; self.Door_4.text = @"Закрыто"; } } BOOL firstStatusChange = YES; BOOL lastStatus; -(void) centralLockStatusChanged:(BOOL)status { // At first status changes set lastStatus variable if (firstStatusChange) { firstStatusChange = NO; // Invert status, to pass the next test lastStatus = !status; } // Change Lock image only if status changed if (!(lastStatus == status)) { // Check status if (status) { forState:UIControlStateNormal]; } else { forState:UIControlStateNormal]; } lastStatus = status; } } // Front Left Glass - (IBAction)frontLeftUp:(UIButton *)sender { ; } - (IBAction)frontLeftDown:(id)sender { ; } // Front Right Glass - (IBAction)frontRightUp:(UIButton *)sender { ; } - (IBAction)frontRightDown:(id)sender { ; } // Back Left Glass - (IBAction)backLeftUp:(UIButton *)sender { ; } - (IBAction)backLeftDown:(id)sender { ; } // Back Right Glass - (IBAction)backRightUp:(UIButton *)sender { ; } - (IBAction)backtRightDown:(id)sender { ; } - (IBAction)lockUnlock:(UIButton *)sender { // If central lock closed if (lastStatus) { // Open ; int64_t delayInSeconds = 1; // 1 sec dispatch_time_t popTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, delayInSeconds * NSEC_PER_SEC); dispatch_after(popTime, dispatch_get_main_queue(), ^(void){ ; }); } else { // Close ; int64_t delayInSeconds = 1; // 1 sec dispatch_time_t popTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, delayInSeconds * NSEC_PER_SEC); dispatch_after(popTime, dispatch_get_main_queue(), ^(void){ ; }); } } @end


Есть способ не писать свое приложение для телефона, а воспользоваться готовым из мира умных домов, всего лишь потребуется установиться на Raspberry Pi систему автоматизации

Диагностика и ремонт: CAN - шина

21.02.2006

Именно так выглядит (в основном) та самая "шина CAN", с которой в последнее время нам придется сталкиваться все чаще и чаще:

фото 1

Это обыкновенный двухпроводной кабель получивший название Twisted Pair.
На приведенном фото 1 показаны провода CAN High и CAN Low силового агрегата.
По этим проводам производится обмен данными между блоками управления, они могут нести информацию о скорости автомобиля, скорости вращения коленчатого вала, угле опережения зажигания и так далее.
Обратите внимание, что один из проводов дополнительно помечен черной полоской. Именно таким образом отмечается и визуально определяется провод CAN High (оранжево-черный).
Цвет провода CAN-Low - оранжево-коричневый.
За основной цвет шины CAN принят оранжевый цвет.

На рисунках и чертежах принято изображать цвета проводов шины CAN другими цветами, а именно:

фото 2

CAN-High - желтым цветом
CAN-Low - зеленым цветом

Всего существует несколько разновидностей шин CAN, определяемых выполняемыми ими функциями:
Шина CAN силового агрегата (быстрый канал ).
Она позволяет передавать информацию со скоростью)500 кбит/с и служит для связи между блоками управления (двигатель - трансмиссия)
Шина CAN системы "Комфорт" (медленный канал ).
Она позволяет передавать информацию со скоростью100 кбит/с и служит для связи между блоками управления, входящими в систему "Комфорт".
Шина данных CAN информационно- командной системы (медленный канал ), позволяющая передавать данные со скоростью 100 kBit/s. Обеспечивает связь между различными обслуживающимисистемами ( например,телефонной и навигационной системами) .

Новые модели автомобилей все более становятся похожими на самолеты - по количеству заявленных функций для безопасности, комфорта и экологичности. Блоков управления становится все больше и больше и "тянуть" от каждого грозди проводов - нереально.
Поэтому кроме шины CAN уже существуют другие шины, получившие названия:
– шина LIN (однопроводная шина)
– шина MOST (оптоволоконная шина)
– беспроводная шина Bluetooth

Но не будем "расплываться мыслью по древу", заострим наше внимание пока что на одной конкретной шине: CAN (по взглядам корпорации BOSCH).

На примере шины CAN силового агрегата можно посмотреть форму сигнала:

Фото 3

Когда на High шине CAN доминантное состояние, то напряжение проводе повышается до 3.5 вольт.
В рецессивном состоянии напряжение на обоих проводах равняется 2.5 вольта.
Когда на проводе Low доминантное состояние, то напряжение падает до 1.5 вольта.
("Доминанта" - явление, доминирующее, главенствующее или господствующее в какой-либо сфере,- из словарей).

Для повышения надежности передачи данных, в шине CAN применяется дифференциальный способ передачи сигналов по двум проводам, имеющим название Twisted Pair. А провода, которые образуют эту пару, называются CAN High и CAN Low.
В исходном состоянии шины на обоих проводах поддерживается постоянное напряжение на определенном (базовом) уровне. Для шины CAN силового агрегата оно приблизительно равняется 2.5 вольта.
Такое исходное состояние называется "состоянием покоя" или "рецессивом".

Каким образом передаются и преобразуются сигналы по CAN шине?

Каждый из блоков управления подсоединен к CAN шине посредством отдельного устройства под названием трансивер, в котором имеется приемник сигналов, представляющий собой дифференциальный усилитель, установленный на входе сигналов:

фото 4

Поступающие по проводам High и Low сигналы, поступают в дифференциальный усилитель, обрабатываются и поступают на вход блока управления.
Эти сигналы представляют собою напряжение на выходе дифференциального усилителя.
Дифференциальный усилитель формирует это выходное напряжение как разность между напряжениями на проводах High и Low шины CAN.
Таким образом исключается влияние величины базового напряжения (у шины CAN силового агрегата оно равно 2,5 В) или какого либо напряжения, вызванного, например, внешними помехами.

Кстати, насчет помех. Как говорят, "шина CAN довольно устойчива к помехам, поэтому она нашла такое широкое применение".
Попробуем разобраться с этим.

Провода шины CAN силового агрегата расположены в моторном отсеке и на них могут воздействовать помехи различного порядка, например, помехи от системы зажигания.

Так как шина CAN состоит из двух проводов, которые перекручены между собой, то помеха одновременно воздействует на два провода:

Из вышеприведенного рисунка видно, что происходит далее: в дифференциальном усилителе напряжение на проводе Low (1,5 В – " Pp") вычитается из напряжения
на проводе High (3,5 В – " Pp") и в обработанном сигнале помеха отсутствует (" Pp" - помеха).


Примечание: По наличию времени статья может иметь продолжение - много еще остается "за кадром".



Кучер В.П.
© Легион-Автодата

Вас также может заинтересовать:

Изменение температуры кондиционера Ford Fusion при помощи команд через шину CAN.

Ariel Nuñez
Изменение температуры кондиционера Ford Fusion при помощи команд через шину CAN.


Рисунок 1: Как при помощи приложения управлять ключевыми функциями автомобиля?
Недавно я вместе со своими друзьями из компании Voyage работал над реализацией программного управления системой кондиционирования в Ford Fusion. На данный момент Voyage занимается разработкой бюджетных самоуправляемых автомобилей. Конечная цель: чтобы каждый смог вызвать автомобиль к своей входной двери и безопасно путешествовать туда, куда вздумается. В компании Voyage считают крайне важной возможностью предоставление доступа к ключевым функциям автомобиля с заднего кресла, поскольку не за горами тот день, когда работа водителя будет полностью автоматизирована.
Зачем нужна шина CAN
Современные автомобили используют множество систем управления, которые во многих случаях функционируют подобно микро-службам в веб-разработке. Например, подушки безопасности, тормозные системы, регулирование скорости движения (круиз контроль), электроусилитель руля, аудиосистемы, управление окнами и дверями, подстройка стекл, системы зарядки для электрических автомобилей и т. д. Эти системы должны уметь осуществлять коммуникацию и считывать параметры друг друга. В 1983 в компании Bosch началась разработка шины CAN (Controller Area Network; Локальная сеть контролеров) для решения этой сложной задачи.
Можно сказать, что шина CAN представляет собой простую сеть, где каждая система автомобиля может считывать и отсылать команды. Эта шина интегрируется все сложные компоненты элегантным образом, что дает возможность реализовать всеми любимые функции автомобиля, которыми мы пользуемся.


Рисунок 2: Впервые шина CAN стала использоваться в 1988 году в БМВ 8 серии
Самоуправляемые автомобили и шина CAN
Поскольку интерес к разработке самоуправляемых автомобилей серьезно вырос, соответственно, словосочетание «шина CAN» также становится популярным. Почему? Большинство компаний, создающих самоуправляемых автомобилей, не занимаются производством с нуля, а пытаются научиться программно управлять машинами после выхода с конвейера фабрики.
Понимание внутреннего устройства шины CAN, используемой в автомобиле, позволяет инженеру формировать команды при помощи программного обеспечения. Самые нужные команды, как вы можете догадаться, связаны с управлением рулем, ускорением и торможением.


Рисунок 3: Введение в LIDAR (ключевой сенсор самоуправляемого автомобиля)
При помощи сенсоров наподобие LIDAR (light detecting and ranging; оптическая локационная система) машина способна смотреть на мир как суперчеловек. Затем компьютер внутри автомобиля на базе полученной информации принимает решения и посылается команды в шину CAN для управления рулем, ускорение и торможением.
Не каждый автомобиль способен стать самоуправляемым. И по некоторым причинам компания Voyage выбрала модель Ford Fusion (подробнее о причинах можно почитать в этой статье).
Исследование шины CAN в Ford Fusion
Перед началом исследования систем кондиционирования воздуха в Ford Fusion я открыл мою любимую книгу The Car Hacker’s Handbook . Перед погружением в суть вопроса заглянем в Главу 2 , где описываются три важные концепции: протоколы шины, шина CAN и CAN-фреймы.
Шина CAN
Шина CAN начала использоваться в американских легковых машинах и небольших грузовиках с 1994 года и с 2008 года в обязательном порядке (в европейских автомобилях с 2001 года). В этой шине предусмотрено два провода: CAN high (CANH) и CAN low (CANL). Шина CAN использует дифференциальный сигналинг, суть которого заключается в том, что при поступлении сигнала на одном проводе вольтаж повышается, а на другом понижается на одну и ту же величину. Дифференциальный сигналинг используется в средах, которые должны быть малочувствительны к шуму, например, в автомобильных системах или при производстве.


Рисунок 4: Необработанный сигнал шины CAN, отображаемый на осциллографе
С другой стороны, пакеты, передаваемые по шине CAN, не стандартизированы . Каждый пакет содержит 4 ключевых элемента:

  • Арбитражный ID (Arbitration ID ) представляет собой широковещательно сообщение, идентифицирующее устройство, которое пытается начать коммуникацию. Любое устройство может отсылать несколько арбитражных ID. Если в единицу времени по шине отсылаются два CAN-пакета, пропускается тот, у которого ниже арбитражный ID.
  • Расширение идентификатора (Identifier extension ; IDE ) – в случае с шиной CAN стандартной конфигурации этот бит всегда равен 0.
  • Код длины данных (Data length code ; DLC ) определяет размер данных, который варьируется от 0 до 8 байт.
  • Данные. Максимальный размер данных, переносимых стандартной шиной CAN, может быть до 8 байт. В некоторых системах происходит принудительное дополнение пакета до размера 8 байт.


Рисунок 5: Формат стандартных CAN-пакетов
CAN фреймы
Для того чтобы включить / выключить климатическую систему мы должны найти нужную шину CAN (в автомобиле таких шин несколько). В Ford Fusion есть как минимум 4 задокументированные шины. 3 шины работают на высокой скорости 500 кбит/с (High Speed CAN; HS) и 1 шина на средней скорости 125 кбит/с (Medium Speed CAN; MS).
К порту OBD-II подключено две высокоскоростные шины HS1 и HS2, однако там стоит защита, которая не позволяет подделывать команды. Вместе с Аланом из компании Voyage мы вынули порт OBD-II и нашли места соединения со всеми шинами (HS1, HS2, HS3 и MS). На задней стенке OBD-II все шины подключались к модулю шлюза (Gateway Module).


Рисунок 6: Homer – первое самоуправляемое такси от компании Voyage
Поскольку климатическая система управляется через медиа-интерфейс (SYNC), нам придется отсылать команды через среднескоростную шину (MS).
Чтение и запись CAN-пакетов осуществляется при помощи драйвера и сетевого стека SocketCAN , созданного исследовательским отделом компании Volkswagen для ядра в Linux .
Мы будем подсоединять три провода от машины (GND, MSCANH, MSCANL) к переходнику Kvaser Leaf Light HSv2 (можно купить за 300$ на Амазоне) или к CANable (продается за 25$ на Tindie) и загружать на компьютере со свежим Linux-ядром шину CAN в качестве сетевого устройства.

Modprobe can
modprobe kvaser_usb
ip link set can0 type can bitrate 1250000
ifconfig can0 up

После загрузки запускаем команду candump can0 и начинаем отслеживать трафик:

Can0 33A 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 415 00 00 C4 FB 0F FE 0F FE can0 346 00 00 00 03 03 00 C0 00 can0 348 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F8 00 can0 3E0 00 00 00 00 80 00 00 00 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F7 00 can0 34E 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 358 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 3A4 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 216 00 00 00 00 82 00 00 00 can0 3AC FF FF FF FF FF FF FF FF can0 415 00 00 C8 FA 0F FE 0F FE can0 083 00 00 00 00 00 01 7E F4 can0 2FD D4 00 E3 C1 08 52 00 00 can0 3BC 0C 00 08 96 01 BB 27 00 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F7 00 can0 3BE 00 20 AE EC D2 03 54 00 can0 333 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 42A D6 5B 70 E0 00 00 00 00 can0 42C 05 51 54 00 90 46 A4 00 can0 33B 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 42E 93 00 00 E1 78 03 CD 40 can0 42F 7D 04 00 2E 66 04 01 77 can0 167 72 7F FF 10 00 19 F7 00 can0 3E7 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 216 00 00 00 00 82 00 00 00 can0 415 00 00 CC F9 0F FE 0F FE can0 3A5 00 00 00 00 00 00 00 00 can0 3AD FF FF FF FF FF FF FF FF can0 50B 1E 12 00 00 00 00 00 00

Несмотря на то, что вышеуказанная информация эквивалентна амплитуде звукового сигнала, довольно трудно понять, что происходит, и обнаружить какие-либо закономерности. Нам нужно нечто похожее на частотный анализатор, и такой эквивалент есть в виде утилиты cansniffer. Cansniffer показывает список идентификаторов и позволяет отслеживать изменения в секции данных внутри CAN-фрейма. По мере того как мы будем изучать определенные идентификаторы, мы можем установить фильтр нужных ID, которые имеют отношение к нашей задаче.
На рисунке ниже показан пример информации, снятой при помощи cansniffer с шины MS. Мы отфильтровали все, что имеет отношение к идентификаторам 355, 356 и 358. После нажатия и отпускания кнопок, связанных с подстройкой температуры, в самом конце появляется значение 001C00000000.


Рисунок 7: Информация с шины MS, снятая при помощи утилиты cansniffer
Далее необходимо объединить функционал для управления климатической системой с компьютером, работающим внутри автомобиля. Компьютер работает на операционной системе ROS (Robot Operating System; Операционная система для роботов). Поскольку мы используем SocketCAN, то модуль socketcan_bridge серьезно упрощает задачу по преобразованию CAN-фрейма в блок информации, понимаемый операционной системой ROS.
Ниже показан пример алгоритма декодирования:

If frame.id == 0x356:
raw_data = unpack("BBBBBBBB", frame.data)
fan_speed = raw_data / 4
driver_temp = parse_temperature(raw_data)
passenger_temp = parse_temperature(raw_data)

Полученные данные хранятся в CelsiusReport.msg:

Bool auto
bool system_on
bool unit_on
bool dual
bool max_cool
bool max_defrost
bool recirculation
bool head_fan
bool feet_fan
bool front_defrost
bool rear_defrost string driver_temp
string passenger_temp

После нажатия всех нужных кнопок в машине, у нас появляется следующий список:

CONTROL_CODES = {
"ac_toggle": 0x5C,
"ac_unit_toggle": 0x14,
"max_ac_toggle": 0x38,
"recirculation_toggle": 0x3C,
"dual_temperature_toggle": 0x18,
"passenger_temp_up": 0x24,
"passenger_temp_down": 0x28,
"driver_temp_up": 0x1C,
"driver_temp_down": 0x20,
"auto": 0x34,
"wheel_heat_toggle": 0x78,
"defrost_max_toggle": 0x64,
"defrost_toggle": 0x4C,
"rear_defrost_toggle": 0x58,
"body_fan_toggle": 0x04,
"feet_fan_toggle": 0x0C,
"fan_up": 0x2C,
"fan_down": 0x30,
}

Затем эти строки отсылаются на узел под управлением операционной системы ROS и далее происходит трансляция в коды, понимаемые автомобилем:

Rostopic pub /celsius_control celsius/CelsiusControl ac_toggle

Заключение
Теперь мы можем создавать и посылать те же самые коды в шину CAN, которые формируются при нажатии физических кнопок, связанных с повышением и понижением температуры, что дает возможность удаленного изменения температуры автомобиля при помощи приложения, когда мы находимся на заднем сидении автомобиля.


Рисунок 8: Удаленное управление климатической системой автомобиля
Это лишь небольшой шаг при создании самоуправляемого такси вместе со специалистами компании Voyage . Я получил массу положительных эмоций во время работы над этим проектом. Если вы тоже интересуетесь этой темой, можете ознакомиться со списком вакансий в компании Voyage.