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.

Бортовая электроника современного автомобиля в своем составе имеет большое количество исполнительных и управляющих устройств. К ним относятся всевозможные датчики, контроллеры и т.д.

Для обмена информацией между ними требовалась надежная коммуникационная сеть.
В середине 80-х годов прошлого столетия компанией BOSCH была предложена новая концепция сетевого интерфейса CAN (Controller Area Network).

CAN-шина обеспечивает подключение любых устройств, которые могут одновременно принимать и передавать цифровую информацию (дуплексная система). Собственно шины представляет собой витую пару. Данная реализация шина позволила снизить влияние внешних электромагнитных полей, возникающих при работе двигателя и других систем автомобиля. По такой шине обеспечивается достаточно высокая скорость передачи данных.

Как правило, провода CAN-шины оранжевого цвета, иногда они отличаются различными цветными полосами (CAN-High - черная, CAN-Low - оранжево-коричневая).

Благодаря применению данной системы из состава электрической схемы автомобиля высвободилось определенное количество проводников,которые обеспечивали связь, например, по протоколу KWP 2000 между контроллером системы управления двигателем и штатной сигнализацией, диагностическим оборудованием и т.д.

Скорость передачи данных по CAN-шине может достигать до 1 Мбит/с, при этом скорость передачи информации между блоками управления (двигатель - трансмиссия, ABS - система безопасности) составляет 500 кбит/с (быстрый канал), а скорость передачи информации системы "Комфорт" (блок управления подушками безопасности, блоками управления в дверях автомобиля и т.д.), информационно-командной системы составляет 100 кбит/с (медленный канал).

На рис. 1 показана топология и форма сигналов CAN-шины легкового автомобиля.

При передаче информации какого-либо из блоков управления сигналы усиливаются приемо-передатчиком (трансивером) до необходимого уровня.

Каждый подключенный к CAN-шине блок имеет определенное входное сопротивление, в результате образуется общая нагрузка шины CAN. Общее сопротивление нагрузки зависит от числа подключенных к шине электронных блоков управления и исполнительных механизмов. Так, например, сопротивление блоков управления, подключенных к CAN-шине силового агрегата, в среднем составляет 68 Ом, а системы "Комфорт" и информационно-командной системы - от 2,0 до 3,5 кОм.

Следует учесть, что при выключении питания происходит отключение нагрузочных сопротивлений модулей, подключенных к CAN-шине.

На рис. 2 показан фрагмент CAN-шин с распределением нагрузки в линиях CAN-High, CAN-Low.

Системы и блоки управления автомобиля имеют не только различные нагрузочные сопротивления, но и скорости передачи данных, все это может препятствовать обработке разнотипных сигналов.

Для решения данной технической проблемы используется преобразователь для связи между шинами.

Такой преобразователь принято называть межсетевым интерфейсом, это устройство в автомобиле чаще всего встроено в конструкцию блока управления, комбинацию приборов, а также может быть выполнено в виде отдельного блока.

Также интерфейс используется для ввода и вывода диагностической информации, запрос которой реализуется по проводу "К", подключенному к интерфейсу или к специальному диагностическому кабелю CAN-шины.

В данном случае большим плюсом в проведении диагностических работ является наличие единого унифицированного диагностического разъема (колодка OBD).

На рис. 3 показана блок-схема межсетевого интерфейса.

Следует учесть, что на некоторых марках автомобилей, например, на Volkswagen Golf V, CAN-шины системы "Комфорт" и информационно-командная система не соединены межсетевым интерфейсом.

В таблице представлены электронные блоки и элементы, относящиеся к CAN-шинам силового агрегата, системы "Комфорт" и информационно-командной системы. Приведенные в таблице элементы и блоки по своему составу могут отличаться в зависимости от марки автомобиля.

Диагностика неисправностей CAN-шины производится с помощью специализированной диагностической аппаратуры (анализаторы CAN-шины) осциллографа (в том числе, со встроенным анализатором шины CHN) и цифрового мультиметра.

Как правило работы по проверке работы CAN-шины начинают с измерения сопротивления между проводами шины. Необходимо иметь в виду, что CAN-шины системы "Комфорт" и информационно-командной системы, в отличие от шины силового агрегата, постоянно находятся под напряжением, поэтому для их проверки следует отключить одну из клемм аккумуляторной батареи.

Основные неисправности CAN-шины в основном связаны с замыканием/обрывом линий (или нагрузочных резисторов на них), снижением уровня сигналов на шине, нарушениями в логике ее работы. В последнем случае поиск дефекта может обеспечить только анализатор CAN-шины.

CAN-шины современного автомобиля

• CAN шина силового агрегата
• Электронный блок управления двигателя
• Электронный блок управления КПП
• Блок управления подушками безопасности
• Электронный блок управления АБС
• Блок управления электроусилителя руля
• Блок управления ТНВД
• Центральный монтажный блок
• Электронный замок зажигания
• Датчик угла поворота рулевого колеса
• CAN-шина системы "Комфорт"
• Комбинация приборов
• Электронные блоки дверей
• Электронный блок контроля парковочной

Системы

• Блок управления системы "Комфорт"
• Блок упрввления стеклоочистителей
• Контроль давления в шинах

CAN-шина информационно-командной системы

• Комбинация приборов
• Система звуковоспроизведения
• Информационная система
• Навигационная система

Задача: Получить доступ к показаниям штатных датчиков автомобиля без установки дополнительных.

Решение: Считывание данных с автомобиля.

Когда заходит речь о мониторинге таких параметров, как скорость транспортного средства и расход топлив а, надежным и отработанным решением является установка автотрекера и датчика уровня топлива.

Если же необходим доступ к такой информации, как обороты двигателя, пробег, температура охлаждающей жидкости и другим данным с бортового компьютера - эта задача уже больше похожа на творческую.

Казалось бы, что может быть логичнее: если в автомобиле уже есть все необходимые датчики, то зачем устанавливать новые? Практически все современные автомобили (особенно, если речь идет о личных автомобилях бизнес-класса и дорогостоящей спецтехнике) штатно оборудованы датчиками, информация с которых поступает в бортовой компьютер.

Вопрос состоит только в том, как получить доступ к этой информации. Долгое время эта задача оставалась нерешенной. Но сейчас на рынке спутникового мониторинга работает все больше высококвалифицированных инженеров, которым все-таки под силу найти решение задачи корректного получения таких данных, как:

• обороты двигателя;
• уровень топлива в баке;
• пробег автомобиля;
• температура охлаждающей жидкости двигателя ТС;
• и т.д.

Решение, о котором мы будем говорить в данной статье, состоит в считывании данных с CAN-шины автомобиля.

. Что такое ?

CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) — популярный стандарт промышленной сети, ориентированный на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков, широко используемый в автомобильной автоматике. На сегодняшний день практически все современные автомобили оснащены так называемой цифровой проводкой - автомобильной CAN-шиной.

. Откуда появилась задача считывания данных с CAN-шины?

Задача считывания данных с CAN-шины появилась как следствие задачи оптимизации расходов на эксплуатацию автотранспорта.

В соответствии с типовыми запросами заказчиков, автомобили и спецтехника оснащаются системой спутникового ГЛОНАСС или GPS мониторинга и системой контроля оборота топлива (на базе погружных либо ультразвуковых датчиков уровня топлива).

Но практика показала, что заказчики все чаще интересуются более экономичными способами получения данных, а также такими, которые не требовали бы серьезного вмешательства в конструкцию, а также электрику автомобиля.

Именно таким решением стало получение информации с CAN-шины. Ведь оно имеет целый ряд преимуществ:

1. Экономия на дополнительных устройствах

Не нужно нести значительных расходов на приобретение и установку различных датчиков и устройств.

2. Сохранение гарантии на автомобиль

Обнаружение производителем стороннего вмешательства в конструкцию либо электрику автомобиля грозит практически гарантированным снятием транспортного средства с гарантии. А это явно не входит в сферу интересов автовладельцев.

3. Получение доступа к информации со штатно установленных электронных устройств и датчиков.

В зависимости от электронной системы в автомобиле может быть штатно реализован определенный набор функций. Ко всем этим функциям, теоретически, мы можем получить доступ через CAN-шину. Это может быть пробег, уровень топлива в бензобаке, датчики открытия/закрытия дверей, температура за бортом и в салоне, обороты двигателя, скорость движения, и т.д.

Технические специалисты компании Скайсим выбрали для тестирования данного решения прибор . Он имеет встроенный дешифратор FMS и может считывать информацию напрямую с CAN-шины автомобиля.

. Какие достоинства и недостатки влечет за собой решение со считыванием данных с CAN-шины?

Достоинства:

Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.
. Простота реализации и минимальные затраты на использование.
. Высокая устойчивость к помехам.
. Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.
. Широкий диапазон скоростей работы.
. Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Недостатки:

Максимальная длина сети обратно пропорциональна скорости передачи.
. Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).
. Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня.

Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться. В этом отношении CAN-шина подобна простому электрическому проводу. Туда можно «затолкать» любой поток информации, который сможет выдержать пропускная способность шины.

Известны примеры передачи звука и изображения по шине CAN. Известен случай создания системы аварийной связи вдоль автодороги длиной несколько десятков километров (Германия). (В первом случае нужна была большая скорость передачи и небольшая длина линии, во втором случае — наоборот).

Изготовители, как правило, не афишируют, как именно они используют полезные байты в пакете. Поэтому FMS прибор не всегда может расшифровать данные, которые «отдает» CAN-шина. Кроме того, не все марки автомобилей имеют CAN-шину. И даже не все автомобили одной марки и модели могут выдавать одинаковую информацию.

Пример реализации решения:

Не так давно компанией Скайсим совместно с партнером был реализован большой проект по мониторингу автотранспорта. В парке были различные грузовые автомобили иностранного производства. В частности, грузовые автомобили Scania p340.

Для того, чтобы проанализировать процесс получения данных с CAN-шины мы, по солгасованию с заказчиком, провели соответствующие исследования на трех автомобилях Scania p340: один 2008 года выпуска, второй начала 2009 и третий конца 2009 года.

Результаты оказались следующими:

• с первого данные получены так и не были;
• со второго был получен только пробег;
• с третьего были получены все интересующие данные (уровень топлива, температура охлаждающей жидкости, обороты двигателя, общий расход, общий пробег).

На рисунке отображен фрагмент сообщения из информационной системы Wialon, где:
Fuel_level - уровень топлива в баке в %;
Temp_aqua - Температура охлаждающей жидкости в градусах Цельсия;
Taho - Данные с тахометра (об/мин).

Регламент реализации решения был следующий:

1. Навигационный прибор Galileo ГЛОНАСС/GPS был подключен к CAN-шине грузовиков.
Данная модель автотрекера была выбрана из-за оптимального сочетания функционала, надежности и стоимости. Кроме того, она поддерживает FMS (Fuel Monitoring System) - систему, которая позволяет регистрировать и контролировать основные параметры использования транспортного средства, т.е. подходит для подключения к CAN-шине.

Схему подключения к CAN-шине со стороны прибора Galileo можно найти в руководстве пользователя. Для подключения со стороны автомобиля необходимо, в первую очередь, найти свитую пару проводов, подходящую к диагностическому разъёму. Диагностический разъем всегда в доступности и располагается вблизи от рулевой колонки. В 16 контактном разъёме по стандарту OBD II это 6-CAN high, 14-CAN low. Обратите внимание, что у проводов High напряжение примерно 2,6-2,7В, у проводов Low оно, как правило на 0,2В меньше.

_________________________________________________________________________

Еще одним уникальным решением, которое было использовано для снятия данных с CAN-шины, стал бесконтактный считыватель данных CAN Crocodile (производство СП Технотон, г. Минск). Он отлично подходит для работы с приборами Galileo.

Преимущества технологии CAN Crocodile:

CAN Crocodile позволяет получать данные о работе автомобиля из шины CAN без вмешательства в целостность самой шины.

Считывание данных происходит без механического и электрического контакта с проводами.

CAN Crocodile применяется для подключения к шине CAN систем GPS/ГЛОНАСС мониторинга, которые получают информацию о режимах работы двигателя, состоянии датчиков, наличии неисправностей и т.д.

CAN Crocodile не нарушает изоляцию проводов CAN и "слушает" обмен по шине с помощью специального беспроводного приемника.

Применение CAN Crocodile абсолютно безопасно для автомобиля, незаметно для работы бортового компьютера, диагностического сканера и других электронных систем. Особенно актуально применение CAN Crocodile для гарантийных автомобилей, в которых подключение каких-либо электронных устройств к шине CAN часто служит поводом для снятия с гарантии.

2. Если провода обнаружены и идентифицированы верно, можно приступать к запуску CAN-сканера в приборе Galileo.

3. Выбирается стандарт FMS, скорость для большинства автомобилей 250 000.

4. Запускается сканирование.

5. После окончания сканирования совершается переход на главную страницу конфигуратора. Если сканирование завершено успешно, мы получаем доступ к расшифрованным данным.

6. Если ничего, кроме «end scan» Вы не увидели, тут есть несколько вариантов. Либо было неправильно осуществлено подключение, либо автомобиль по каким-то причинам не выдает данные, либо прибору неизвестен шифр данной CAN-шины. Как уже было сказано, такое случается довольно часто, поскольку пока не существует единого стандарта для передачи данных и их обработки по CAN. К сожалению, как показывает практика, получить полные данные с CAN-шины не всегда удается.

Но есть еще один момент, который важно затронуть.

Чаще всего основной целью клиентов является контроль уровня и расхода топлива.

• Даже если данные со штатных датчиков будут успешно получены с CAN-шины, какова их практическая ценность?

Дело в том, что основное назначение штатных датчиков уровня топлива - дать оценку с той степенью точности, которая кажется правильной производителю ТС. Эта точность не может быть ставнима с точностью, которую дает погружной датчик уровня топлива (ДУТ) производства Омникомм или, например, Технотон .

Одна из главных задач, которую решает штатный ДУТ, это чтобы топливо внезапно не закончилось, и водитель понимал общую ситуацию с уровнем топлива в баке. От простого по своему устройству штатного поплавкового датчика сложно ожидать большой точности. Кроме того, бывают случаи, когда штатный датчик искажает данные (например, когда транспорт располагается на склоне).

Выводы

По ряду вышеназванных причин, мы рекомендуем не полагаться полносьтю на показания штатных датчиков уровня топлива, а рассматривать каждую ситуацию индивидуально. Как правило, подходящее решение может быть найдено только совместно с техническими специалистами. У разных производителей ТС разная точность показаний. У всех заказчиков также разные задачи. И только под конкретную задачу целесообразно подбирать средства решения. Кому-то вполне подойдет решение с получением данных с CAN-шины, так как оно в разы дешевле и не требует никаких изменений топливной системы ТС. А вот заказчикам с высокими требованиями по точности разумно рассматривать вариант с погружным ДУТом.

Современные автомобили всё больше подстраиваются под конкретные потребности людей. В них появилось много дополнительных систем и функций, которые связаны с необходимостью передачи определённой информации. Если бы к каждой такой системе пришлось подключать отдельные провода, как это было раньше, то весь салон превратился бы в сплошную паутину и водителю сложно было бы управлять машиной из-за большого количества проводов. Но решение этой проблемы нашлось – это установка Can-шины. Какая её роль водитель смогут узнать сейчас.

Can шина – имеет ли она что-то общее с обычными шинами и для чего нужна

ВНИМАНИЕ! Найден совершенно простой способ сократить расход топлива! Не верите? Автомеханик с 15-летним стажем тоже не верил, пока не попробовал. А теперь он экономит на бензине 35 000 рублей в год!

Услышав такое определение, как «CAN шина», неопытный водитель подумает что это ещё один вид автомобильной резины. Но на самом деле, к обычным шинам это устройство не имеет никакого отношения. Это устройство создавалось для того, чтобы не было необходимости устанавливать в машине кучу проводов, ведь управление всеми системами машин должно вестись из одного места. Can шина даёт возможность сделать салон автомобиля комфортным для водителя и пассажиров, ведь при её наличии не будет большого количества проводов, позволяет вести управление всеми системами машины и подключать в удобный способ дополнительное оборудование – трекеры, сигнализации, маяки, секретки и другое. В машина старого образца ещё нет такого приспособления, это доставляет много неудобств. Цифровая шина лучше справляется с поставленными на неё задачами, а стандартная система – с кучей проводов, является сложной и неудобной.

Когда была разработана цифровая CAN шина и какое её назначение

Разработка цифровой шины началась ещё в двадцатом веке. Ответственность за этот проект взяли на себя две компании – INTEL и BOSCH.
После некоторых совместных усилий, специалистами этих компаний был разработан сетевой индикатор – CAN. Это была проводная система нового образца, по которой передаются данные. Такую разработку назвали шиной. Она являет собой два витых провода достаточно крупной толщины и по ним передаётся вся необходимая информация для каждой из систем автомобиля. Есть и шина, которая представляет из себя жгут проводов – её называют параллельной.

Если к CAN шине подключить автосигнализацию, то возможности охранной системы увеличатся, а прямым назначением этой автомобильной системы можно назвать:

• упрощение механизма подключения и работы дополнительных систем автомобиля;
• возможность подключить к системе автомобиля любые устройства;
• возможность одновременно принимать и передавать цифровую информацию из нескольких источников;
• снижает влияние внешних электромагнитных полей на работоспособность основных и дополнительных систем автомобиля;
• ускоряет процесс передачи данных к необходимым устройствам и системам машины.

Чтобы подключиться к CAN шине необходимо найти в системе проводов оранжевый, он должен быть толстым. Именно к нему нужно подключаться, чтобы наладить взаимодействие с цифровой шиной. Эта система работает как анализатор и распространитель информации, благодаря ей обеспечивается качественная и регулярная работа всех систем автомобиля.

Can шина – параметры скорости и особенности передачи данных

Принцип работы, по которому действует анализатор CAN шины заключается в том, что ему необходимо быстро переработать поступившую информацию и отправить её обратно в качестве сигнала для определённой системы. В каждом отдельном случае скорость передачи данных для систем автомобиля бывает разной. Основные параметры скорости выглядят таким образом:

• общая скорость передачи информационных потоков по цифровой шине –1 мб/с;
• скорость передачи переработанной информации между блоками управления автомобиля – 500 кб/с;
• скорость поступления информации к системе «Комфорт» — 100 кб/с.

Если к цифровой шине подключена автосигнализация, то информация от неё будет поступать максимально быстро, а заданные человеком команды, при помощи брелока, будут исполнены точно и вовремя. Анализатор системы работает без перебоев и поэтому работа всех систем машины будет постоянно исправной.

Цифровая шина – это целая сеть контролёров, которые объединились в одно компактное устройство и имеют возможность быстро получать или передавать информацию, запуская или отключая определённые системы. Последовательный режим передачи данных делает работу системы более слаженной и корректной. CAN шина – это механизм, который имеет тип доступа Collision Resolving и при установке дополнительного оборудования необходимо учитывать этот факт.

Могут ли возникать проблемы в работе кан шины

Кан шина или цифровая шина работает со многими системами одновременно и постоянно занимается передачей данных. Но как и в каждой системе, в механизме CAN шины могут происходить сбои и от этого анализатор информации будет работать крайне некорректно. Проблемы с кан шиной могут возникать из-за следующих ситуаций:

При выявлении неисправности системы необходимо искать причину этого, учитывая что она может скрываться в дополнительном оборудовании, которое устанавливалось – автосигнализация, датчики и другие внешние системы. Поиски проблемы должны производиться следующим образом:

• проверить работу системы в целом и запросить банк неисправностей;
• проверка напряжения и сопротивления проводников;
• проверка сопротивления резисторных перемычек.

Если с цифровой шиной возникают проблемы и анализатор не может продолжать корректную работу не стоит пытаться самостоятельно решить эту проблему. Для грамотной диагностики и произведения необходимых действий необходима поддержка специалиста в этой области.

Какие системы входят в современную Can шину автомобиля

Все знают что кан шина – это анализатор информации и доступное устройство для передачи команд к основным и дополнительным системам транспортного средства, дополнительному оборудованию – автосигнализация, датчики, трекеры. Современная цифровая шина включает в себя следующие системы:

В этот список не ходят внешние системы, которые можно подключать к цифровой шине. На месте таких может быть автосигнализация или дополнительное оборудования подобного типа. Получать информацию с кан шины и следить за тем, как работает анализатор можно при помощи компьютера. Для этого необходима установка дополнительного адаптера. Если к кан-шине подключена сигнализация и дополнительно маяк, то можно управлять некоторыми системами автомобиля, используя для этого мобильный телефон.

Не каждая сигнализация имеет возможность подключения к цифровой шине. Если владелец автомобиля хочет, чтобы его автосигнализация имела дополнительный возможности, а он постоянно мог управлять системами своего автомобиля на расстоянии, стоит задуматься о покупке более дорогого и современного варианта охранной системы. Такая сигнализация легко подключается к проводу кан шины и работает очень эффективно.

CAN шина, как подключается автосигнализация к цифровой шине

Анализатор цифровой шины справляется не только со внутренними системами и устройствами автомобиля. Подключение внешних элементов –сигнализация, датчики, другие устройства, добавляет цифровому устройству больше нагрузки, но при этом его продуктивность остаётся прежней. Автосигнализация, которая имеет адаптер для подключения к цифровой шине устанавливается по стандартной схеме, а для того, чтобы подключиться к CAN необходимо пройти несколько простых шагов:

1. Автосигнализация по стандартной схеме подключается ко всем точкам автомобиля.
2. Владелец транспортного средства ищет оранжевый, толстый провод – он ведёт к цифровой шине.
3. Адаптер сигнализации подключается к проводу цифровой шины автомобиля.
4. Производятся необходимые закрепляющие действия –установка системы в надёжном месте, изоляция проводов, проверка правильности произведённого процесса.
5. Настраиваются каналы для работы с системой, задаётся функциональный ряд.

Возможности современной цифровой шины велики, ведь виток из двух проводов объединяет в себе доступ до всех основных и дополнительных систем автомобиля. Это помогает избежать наличия большого количества проводов в салоне и упрощает работу всей системы. Цифровая шина работает по типу компьютера, а это в современном мире очень актуально и удобно.

В данной статье не будем полностью расписывать CAN протокол, а обратим внимание лишь на вещи, которые надо обязательно знать и понимать для использования или разработки электронных устройств с поддержкой CAN.

Протокол CAN был разработан для автомобильной промышленности и впоследствии стал стандартом в области создания бортовых сетей автомобилей, железнодорожного транспорта и т.д. CAN позволяет создавать сети с развитыми средствами контроля ошибок, скоростью передачи до 1Мбит/с и пакетами содержащими не более восьми байтов данных.

Канальный и физический уровни CAN

В протоколе CAN нет строгого определения физического уровня, поэтому для передачи сообщений может использоваться, например, витая пара или оптоволокно. По сути дела CAN реализует канальный уровень, т.е. осуществляет формирование пакетов сообщений, ограничение распространения ошибок, подтверждение приема и арбитража. Есть конечно и распространенные стандарты прикладного уровня например CANopen, но если нет необходимости обеспечивать взаимодействие между оборудованием различных производителей, то лучше использовать внутренний протокол.

Структура узла сети CAN

Рассматриваемый нами узел сети CAN состоит из микроконтроллера, CAN контроллера и приемопередатчика (рисунок 1). Чаще всего мы используем микроконтроллеры с встроенным CAN контроллером для упрощения схемы, но иногда используется автономный контроллер CAN с интерфейсом SPI (MCP2510). Далее приемопередатчик подключается к витой паре, на концах которой размещены согласующие резисторы (терминатор) с сопротивлением 120 Ом.

Рисунок 1 – Узел сети CAN

Для формирования логической единицы в витой паре, или свободной шине, на оба провода подается напряжение, равное половине разности напряжения между 0 или Vcc. Логическому нулю соответствует подача на провода линии дифференциального напряжения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Логические уровни на CAN-шине

Шина CAN позволяет передавать данные со скоростью 1 Мбит/c при длине кабеля не более 40 м. В обучающей литературе написано, что при снижении скорости передачи до 10кбит/с можно добиться длины сети в 1.5км.

Пакет сообщения CAN

Формат сообщения CAN показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Пакет сообщения CAN

По факту пакет сообщения формируется CAN контроллером, а прикладное ПО только устанавливает идентификатор сообщения, длину сообщения и предоставляет байты данных, поэтому полностью рассматривать пакет не будем, а посмотрим на данные которые мы изменяем при работе с CAN шиной.

Идентификатор сообщения используется для идентификации данных, отправленных в этом пакете. Каждое отправленное сообщение принимается всеми узлами сети и в данном случае идентификатор позволяет понять конкретному устройству, необходимо ли обрабатывать данное сообщение. Максимальная длина сообщения 8 байт, но можно уменьшить это значение для сохранения пропускной способности шины CAN. Для примера ниже по тексту есть несколько скриншотов CAN сообщений из автомобильной сети.

Арбитраж на шине CAN

Если без подробностей, то первым по шине CAN всегда передается сообщение с наименьшим идентификатором.

Настройка скорости передачи данных по шине CAN

Скорость передачи данных по CAN шине настраивается за счет формирования квантов времени, а не как во многих других протоколах последовательной передачи данных за счет делителя скорости. В большинстве случаев используются скорости 10Кбит/c, 20Кбит/c, 50Кбит/c, 100Кбит/c, 125Кбит/c, 500Кбит/c, 800Кбит/c, 1MBaud и настройки для этих скоростей уже посчитаны. На рисунке 4 изображено окно выбора скорости в программе PcanView.

Рисунок 4 – Выбор скорости передачи данных в программе PcanView

Как мы видим при установке стандартной скорости настройки проставляются автоматически, но бывают случаи когда необходимо использовать другую скорость передачи данных. Например бортовой CAN автомобиля может работать со скоростью 83Кбит/c. В этом случае придется провести расчет настроек самостоятельно или поискать специализированный калькулятор скорости в интернете. Для самостоятельного расчета скорости необходимо понимать, что для передачи одного бита сообщения используется несколько квантов, а интервал передачи состоит из трех сегментов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Время передачи одного бита

Первый сегмент всегда фиксирован и равняется одному кванту. Далее идет два сегмента Tseg1 и Tseg2 и количество квантов в каждом сегменте определяется пользователем и может быть равно от 8 до 25. Точка выборки находится между Tseg1 и Tseg2, т.е. в конце первого и в начале второго сегмента. Так же пользователь может определить ширину скачка синхронизации (Synchronization Jump Width - SJW) для подстройки битовой скорости принимающего устройства, который может быть в диапазоне 1 – 4 квантов времени.

Теперь приведем формулу расчета скорости (Пример расчета скорости для CAN контроллера SJA1000):

BTR = Pclk/(BRP * (1 + Tseg1 + Tseg2))

BTR – скорость передачи данных,

Pclk – частота работы CAN контроллера,

BRP – значение предделителя частоты генератора скорости передачи

Tseg1 – первый сегмент

Tseg2 – Второй сегмент

Для проверки возьмем уже посчитанную скорость 125Кбит/c и попробуем получить настройки вручную. Pclk возьмем 16 МГц.

BRP = 16МГц /(125K * (1 + Tseg1 + Tseg2))

Затем подбираем интервал передачи бита находящийся в диапазоне от 8 до 25 квантов времени, так что бы получилось целое значение BRP. В нашем случае если взять (1 + Tseg1 + Tseg2) = 16, то BRP будет равен 30.

SP = ((1 + Tseg1 + Tseg2) * 70)/100

Подставляем значения и получаем 16 * 0.7 = 11.2, что соответствует соотношению Tseg1 = 10, Tseg2 = 5, т.е. 1 + 10 + 5 = 16. Далее смотрим если Tseg2 >= 5, то SJW = 4, если Tseg2 < 5, то SJW = (Tseg2 – 1). В нашем случае SJW = 4.

Итого для получения скорости 125Кбит/c необходимо в параметрах указать, BRP = 30, Tseg1 = 10, Tseg2 = 5, SJW = 4.

P.S. Конфигурирование baud rate значительно отличается между старыми модулями USB-CANmodul (GW-001 и GW-002) с контроллером SJA1000 и новыми модулями sysWORXX с контроллером AT91SAM7A3. В статье описывающей работу с бортовым CAN автомобиля на скорости 83кбит/c приведен расчет скорости для контроллера AT91SAM7A3.

Пример получения и передачи данных по CAN-интерфейсу

В примере будем использовать CAN-адаптер с программой PcanView от SYSTEC и подключимся к салонному CAN автомобиля, работающему со скоростью 125Кбит/с. Рассматриваемый нами автомобиль оснащен креслами с электроприводом и поэтому исследуем данные отвечающие за положение кресел и постараемся изменить положение спинки подменив пакет с помощью компьютера.

Для начала на схеме автомобиля находим наиболее удобно расположенный разъем с линиями CANH и CANL и подключаем к нему наш адаптер. Если разъем и провода найти не получилось, то можно подлезть к блоку управления кресла, найти там два скрученных между собой провода и аккуратно надрезав провода подключить адаптер. Если после подключения и настройки адаптера сообщения не приходят, то в первую очередь попробуйте поменять между собой CANH CANL и проверить включено ли зажигание.
Далее запускаем программу PcanView, в открывшемся окне настроек устанавливаем Baudrate = 125Кбит/c и нажимаем ОК (рисунок 4). В следующем окне устанавливаем Message filter = Standard, диапазон адресов от 000 до 7FF и нажимаем ОК (рисунок 6).

Рисунок 6 – Настройка CAN фильтра

Если все сделано правильно, то мы увидим сообщения от кресел (рисунок 7), а при нажатии кнопки наклона спинки на пульте управления мы увидим еще одно сообщение с адресом 1F4 идущее от пульта к креслу (рисунок 8).

Рисунок 7 – CAN сообщения от кресла с электроприводом


Рисунок 8 – CAN сообщения от кресла с электроприводом и сообщение от пульта управления к креслу

Теперь мы знаем какие должны быть адрес, длина и данные в CAN пакете для имитации нажатия кнопки изменения положения спинки. Во вкладке Transmit нажимаем NEW и в открывшемся окне создаем копию пакета 1F4, т.е. ID = 1F4, Length = 3, Data = 40 80 00. Period можно оставить 0 ms, тогда сообщения будут отправляться по факту нажатия кнопки пробел (рисунок 9).

Рисунок 9 – Создание CAN сообщения

На рисунке 10 отображено поле Transmit главного окна содержащее все отправляемые сообщения в CAN и информацию о них. При выделении сообщения и нажатии кнопки пробел произойдет отправка пакета в CAN сеть и кресло немного сдвинется в нужном направлении.

Понятное дело, что добиться полноценного управления креслом в таком случае не получиться, т.к. мы не можем исключить из сети пакеты заводского пульта управления, но эта проблема вполне решаема.

Итог

Мы увидели как при определенных усилиях и навыках можно создавать собственные электронные системы с использованием высокотехнологичного протокола CAN и как можно подключаться, исследовать и управлять устройствами подключенными к автомобильной CAN шине.