Видео:Как управлять автомобилем через CAN-шину?Скачать
Использование шины CAN: как программно управлять автомобилем
Изменение температуры кондиционера Ford Fusion при помощи команд через шину CAN.
Автор: 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:
- АрбитражныйID (ArbitrationID) 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 (Identifierextension;IDE) – в случае с шиной CAN стандартной конфигурации этот бит всегда равен 0.
- Код длины данных (Datalengthcode;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.
Читайте также: Зимние шины 215 55 r18 tigar
После загрузки запускаем команду candump can0 и начинаем отслеживать трафик:
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:
Полученные данные хранятся в CelsiusReport.msg:
После нажатия всех нужных кнопок в машине, у нас появляется следующий список:
Затем эти строки отсылаются на узел под управлением операционной системы ROS и далее происходит трансляция в коды, понимаемые автомобилем:
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.
Видео:CAN шина👏 Как это работаетСкачать
CAN sniffer
Видео:Простая проверка CAN шины. Сканер не видит автомобиль через OBD2. Как правильно выбрать изоленту.Скачать
CAN шина
Описывать технические подробности CAN шины в деталях — удел документации. В данной статье достаточно знать, что она:
- имеет двухпроводное физическое подключение
- бывают различные скорости передачи данных
- для подключения уже имеются готовые микросхемы и даже готовые платы с распаянными деталями
Полистав странички одного известного интернет магазина из поднебесной, я заказал несколько различных вариантов шилдов и пошёл изучать особенности электрических сигналов в автомобиле. Подопытным автомобилем выступил LADA Kalina Cross с 127-ым мотором и электронным блоком управления ИТЭЛМА М74.5 CAN.
Подключаюсь в диагностический разъём OBD (контакты 6 и 14) и смотрю осциллографом, что там имеется. После поворота ключа зажигания начинают бегать пакеты с амплитудой до 2,5 В. Ставлю паузу на осциллографе и смотрю на пакет.
Заметны стартовые и стоповые биты, какие-то данные в пакете. На тот момент я уже знал, что скорость передачи данных ожидается 500 кбит/с, как наиболее частая для моторной CAN шины. Длительность пакета получается около 230 мкс и перед пакетом наблюдается довольно большая пауза в передаче данных. Масштабирую время и вижу три пакета и паузы между ними.
Если сложить длительность передачи данных и паузу между пакетам получается, что передача одной порции данных занимает около 1 мс.
К чему я это всё вывожу? А вопрос чисто практический: хватит ли скорости последовательного порта для передачи всех данных? И исходя из увиденного, можно сделать вывод, что скорость 500 кбит/с развивается внутри пакета, который занимает примерно четверть времени на передачу. Значит средняя скорость передачи будет вчетверо меньшей. На тот момент я ещё не располагал тестами скорости последовательного интерфейса Arduino и забегая вперёд скажу, что даже с самым распространённым преобразователем Serial to USB CH340 стабильно работает скорость в 2 Мбит/с.
Видео:Кан шина, что это? Поймет школьник! принцип работыСкачать
CAN scanner на Arduino
Первый прибыл шилд для классической Arduino UNO. Да он стоит значительно дороже своих более мелких собратьев, но он имеет на борту всё необходимое и даже две кнопки.
Именно с ним я и начал все эксперименты. Собрал простую схему с этим шилдом и жидкокристаллическим двухстрочным экраном. Цель была — вывести на экран хоть какие-то данные. Перебирал различные библиотеки для работы с CAN шиной на Arduino (сразу скажу, что правильная и рабочая библиотека называется CAN-BUS Shield by Seeed Studio с заголовочным файлом mcp_can.h), поменял кварцевый резонатор на шилде на 16 МГц (изначально стоял 8 МГц) — данных не было.
На шилде установлены две микросхемы: контроллер CAN шины MCP2515 и драйвер CAN шины TJA1050. Почитав документацию и различные форумы, решил поменять TJA1050 на более каноничный драйвер MCP2551 и данные появились. Возможно TJA1050 была изначально неисправна, так как с её подключением двумя проводками ошибиться было очень сложно, к тому же я использовал OBD и DB9 разъёмы для подключения.
Читайте также: Шина stalker m t 265 75r16 всесез н ш
За пару часов был написан простой CAN scanner, который выводил на жидкокристаллический дисплей номер захваченного пакета, его ID и до 8 байтов данных этого пакета.
Вот тут и пригодились кнопочки на шилде, которыми я реализовал переключение между номером отображаемого пакета.
Начало было положено, надо переходить к более интересной реализации.
Видео:поиск нерабочей can шины, часть дваСкачать
CAN sniffer на Arduino
Задача стояла достаточно простая:
- принимаем пакет из CAN шины
- укладываем полученные данные в свою структуру
- отправляем структуру через последовательный порт
С первыми двумя задачами я вообще не видел никаких проблем. Библиотека предоставляла прерывание при приёме очередного пакета данных и удобные функции для получения данных. А вот отправку данных в сторону компьютера решил сделать через библиотеку CyberLib, которая устраняет некоторые накладные расходы всей платформы Arduino, за счёт чего можно немного разгрузить процессор для обработки данных. Позже от этой библиотеки пришлось отказаться.
Для того, чтобы отправляемые данные корректно обрабатывались на стороне компьютера, перед каждой очередной порцией данных в поток вставляется префикс из четырёх байтов 0xAA55AA55 (почему-то вспомнились эти байты по последним двум байтам загрузочного сектора DOS, только они там были в другом порядке). Логика такая:
- компьютер читает весь поток из последовательного порта и находит в нём искомую последовательность префикса 0xAA55AA55
- сразу после префикса будут 4 байта идентификатора пакета
- далее длина данных этого пакета, по ней контролируется длина всего пакета
- до 8 байтов данных
На этом программная часть в Arduino, на тот момент, была завершена. Позже она была значительно переделана, но общая концепция не поменялась.
Так же я написал простой генератор пакетов данных для отладки, чтобы отлаживаться дома — он просто отправляет в последовательный порт пакеты со случайными данными, что позволяет отлаживать приложение на компьютере в комфортных условиях.
Примерно в это же время прибыли более миниатюрные компоненты Arduino Nano и Mini CAN shield.
Я спроектировал небольшой корпус, распечатал его и разместил внутри все компоненты.
Снаружи с одной стороны OBD разъём, с другой — Mini USB. Внутри имеется переключатель для терминирующего резистора.
Видео:Компьютерная диагностика авто. K-линия и CAN шинаСкачать
CAN sniffer на PC с использованием wxWidgets
Набросал простую заготовку программы на C#, которая выводит в Grid получаемые данные. И пошёл проверять в автомобиль. Только пошёл не со своим ноутбуком, так как у него батарея давно приказала долго жить и использовался он как стационарный компьютер, а взял нетбук с очень слабым процессором. То что я увидел… Я ничего не увидел. Оба ядра загружены на 100%, интерфейс приложения не реагирует. Но на моём компьютере, который всё-таки значительно шустрее нетбука, с генератором случайных пакетов приложение нормально работало и отображало данные. Из этого я сделал вывод, что платформа .NET на слабых компьютерах мне не подойдёт, так как отлаживаться в полевых условиях я мог на тот момент только с тем нетбуком.
Ранее я в нескольких проектах использовал библиотеку wxWidgets и о ней у меня только приятные впечатления. Она легковесная, нет необходимости тащить с собой различные библиотеки и даже кросс-платформенная, что вселяет надежду, что интерфейсную часть кода можно перенести без значительных переделок на другие платформы. В конце статьи будет ссылка на скомпилированную программу, если возиться со всем этим не будет желания.
Можно скачать и посмотреть видео (менее восьми минут), а можно выполнить 6 шагов по описанию ниже.
Установка и компиляция wxWidgets:
1. Скачать и установить wxWidgets если это установщик, либо распаковать, если это архив
2. Создать переменную окружения WXWIN указывающую на папку, куда установили или распаковали (например C:\wxWidgets):
Свойства системы -> Дополнительные параметры системы -> Переменные среды -> Создать
WXWIN = C:\wxWidgets
3. Из папки C:\wxWidgets\build\msw открыть файл решения под соответствующую Visual Studio (wx_vc16.sln для Visual Studio 2019)
4. В Solution Expolorer, с помощью клавиши Shift, выделить все проекты, кроме _custom_build и зайти в Properties проектов.
5. В разделе C/C++ -> Code Generation изменить параметр Runtime Library:
Для конфигурации Debug выбрать /MTd
Для конфигурации Release выбрать /MT
6. Скомпилировать библиотеки wxWidgets по очереди для Debug и Release конфигураций.
Пробное приложение и настройка проекта в Visual Studio (для проверки)
1. В Visual Studio создать Empty Project с указанием типа приложения Desktop Application (.exe)
2. В окне View -> Property Manager для своего проекта правой кнопкой выбрать меню Add existing property sheet… и выбрать файл:
3. Создать файл main.cpp и скопировать в него содержимое файла:
4. В настройках проекта C/C++ -> Code Generation изменить (если пункт не появился — сделать пробную сборку):
Runtime Library для конфигурации Debug: /MTd
Runtime Library для конфигурации Release: /MT
5. Дополнительно, если необходимы привилегии UAC, в разделе Linker -> Manifest File:
UAC Execution Level: requireAdministrator
6. Для добавления иконки exe-файлу надо добавить ресурсный файл со следующим содержимым:
#include «wx\msw\wx.rc»
wxicon icon app_icon.ico
Первый реализованный прототип на C++ и wxWidgets показал, что даже нетбук справляется с отображением данных в таблице и я приступил к разработке задуманного.
Архитектурно программа состоит из двух потоков: интерфейсный и поток работы с последовательным портом. Никаких невероятно интересных алгоритмов не применялось. Код обильно снабжён комментариями и должен быть довольно понятен. Ссылка на исходники будет в конце статьи.
Читайте также: Л 163 шина характеристики
Первое что было сделано — раскраска ячеек данных в таблице по давности получения этих данных. Уже в первом прототипе, глядя на 17 строк данных меняющихся непрерывно значений, я понял, что надо как-то различать свежие данные и данные, которые не изменяются или меняется редко. Сделал раскраску в два этапа:
- впервые пришедшие данные выделяются зелёным цветом фона ячеек
- данные пришедшие повторно и далее — выделяются красным фоном, который постепенно выцветает до белого если больше эти данные не меняются
Сразу же стало наглядно видно, какие ячейки вообще не используются, какие содержат сигналы счётчиков. Поиск же интересующих изменяющихся значений значительно упрощается. Здесь и далее все изображения анимированные. Если анимация не работает в статье (на некоторых мобильных браузерах) — кликайте по изображению для открытия полной версии анимации.
Далее мне захотелось всё-таки проверить, справляется ли последовательный порт с потоком данных. Для этого я на стороне Arduino добавил счётчики количества принятых пакетов и счетчик байтов в пакете. Эти счётчики отправляются на компьютер в пакете с идентификатором 0x000. Программа при получении этих данных не выводит их в таблицу, а отображает в отдельных информационных полях сверху. Полученные результаты даже весьма понравились. В среднем принимается до 750 пакетов/с со скоростью до 9,5 кБ/с, а это где в районе до 80 кбит/с, что вполне по силам последовательному порту. Но всё равно, обмен данными настроен по умолчанию на 500 кбит/с, пусть лучше будет запас.
Добавление возможности записи данных в журнал появилось после того, как подключил параллельно к OBD интерфейсу диагностический адаптер ELM327 и связав его с телефоном, попробовал читать различные данные. Данные пробегали настолько быстро, что увидеть их невозможно. Записав всё это в журнал, можно потом спокойно сесть и посмотреть передаваемые данные. Для этого в журнал могут записываться даже ASCII текстовые данные. Так же можно выбирать тип файла, символ разделитель и настроить фильтр пакетов кликом в таблице по указанному идентификатору пакета и нажатию кнопки «Добавить ID в фильтр» (по умолчанию записываются все данные), если запись всех данных избыточна.
Именно тогда пришло осознание, что все приложения для телефона, которые производят всякую «диагностику» через связку ELM327 и телефон, не общаются напрямую с CAN шиной автомобиля. Они всего лишь используют функционал диагностики OBD через CAN шину посредством обращения к CAN ID 0x7E0. Обычно это адрес контроллера мотора (ЭБУ), ответ же от него приходит в пакете с идентификатором 0x7E8. А вот все остальные пакеты данных — это так называемый Vendor Specific и ни один производитель так просто их не раскроет (хотя есть пример: Ford выпустил SDK для своих автомобилей).
Продолжая изучать что же передаётся в этих пакетах пришёл к ещё одной идее: при клике на ячейку в таблице, в окне программы справа выводить двоичное и десятичное значение этого байта, а так же брать следующий байт и дополнять до слова. Далее это слово умножать на некий коэффициент и получить десятичный результат. Звучит не очень понятно, но вот в связи с чем это делалось: обороты мотора приходят в пакете CAN ID 0x180, в первых двух байтах. Эти два байта дают некое слово, которое пропорционально оборотам. Если значение этого слова разделить на 8, то получатся текущие обороты. Поэтому указывается множитель 0,125, как обратная величина от 8. Далее это слово визуализируется в графике с динамической подстройкой по амплитуде. В принципе, множитель можно искать в обратной последовательности: нашёл ячейки, которые по графику очень похожи на обороты мотора или ещё что-то искомое, после чего подгоняется множитель для получения действительных значений.
Ну а двоичное представление позволяет искать различные битовые индикаторы. Например поиск индикаторов указателей поворота сводится к тому, чтобы включить их и наблюдать какая ячейка начинает изменяться, в примере ниже это CAN ID 0x481 байт 2. После чего клик по ячейке приводит к отображению её двоичного значения в соответствующем поле, где уже видны переключающиеся младшие два бита (левый, правый и если вместе — аварийная сигнализация).
И напоследок мне понадобилось сделать отправку некоторых управляющих данных в CAN шину и посмотреть реакцию на эти команды. В программу на Arduino был добавлен код, который принимает данные со стороны компьютера и передаёт в CAN шину. Именно на этом этапе пришлось отказаться от CyberLib, так как у неё не было поддержки прерывания поступления данных в буфер последовательного порта. В программе на компьютере добавил несколько текстовых полей, в которые можно ввести различные параметры и таблицу для просмотра ответа исполнительного устройства. В примере ниже показаны команды управления включить/отключить первую скорость вентилятора охлаждения (0x0A) и включить/отключить муфту кондиционера (0x0B).
Практически нигде не найти полные расшифровки данных производителей, тем более официальных. В лучшем случае это будут чьи-то изыскания в рамках реализации какой-то дополнительной функции. CAN sniffer может помочь в поиске этих данных. Я смог найти порядка 40 различных параметров автомобиля и ради эксперимента, на базе полученных данных, я сделал собственное управление вентилятором охлаждения.
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
📽️ Видео
Как работает LIN шина автомобиля. K-Line L-Line шины данных. Лин шина автомобиля. Lin-bus networkСкачать
Экспресс диагностика CAN шины на автомобиле. №21Скачать
Блокировка can-шины в фаре Toyota/Lexus. Шок для опытных установщиков. Зачем думать и читать схемыСкачать
Подробно про CAN шинуСкачать
CAN шина на осциллографе FINIRSI ADS1013DСкачать
Вебинар: Как найти любые данные из CAN-шины любого автомобиля?Скачать
CAN-шина, простой поиск данных в кан шине автомобиля. Как расшифровать и найти данные в кан шине?Скачать
Поиск уровня топлива в CAN шине Toyota Camry 2017Скачать
лекция 403 CAN шина- введениеСкачать
#10. Как отправлять сообщения и команды в CAN-шину для управления автомобилем?Скачать
LIN шина - пример работы. LIN bus exampleСкачать
Arduino CAN Monitor (простейший монитор шины CAN)Скачать
Can Bus - что это такое ? Зачем нужен ? Как настроить ?Скачать
CAN-Hacker Как искать пакеты в CAN шине на примере Toyota Prius-C AquaСкачать
