Содержание
Использование стандарта CAN в Arduino – полное руководство
Современные автомобили включают в себя несколько десятков разнообразных датчиков. И все эти датчики регулярно обмениваются информацией с другими датчиками/устройствами автомобиля. Причем автомобили с каждым годом становятся все «умнее» и поэтому количество датчиков в них все больше увеличивается. В автомобилях сегодняшнего дня находят широкое применение системы автономного вождения, системы безопасности с автоматически срабатывающими подушками безопасности, системы контроля давления в шинах, круиз-контроль и т.д. В большинстве случаев информация, поступающая от этих датчиков, является критически важной. Например, если сработает датчик столкновения, которому срочно нужно передать сигнал на раскрытие подушек безопасности, а ему это помешают сделать какие-либо сигналы/процессы в электронной системе автомобиля. В этом случае жизнь людей в автомобиле может оказаться под угрозой. Поэтому в автомобилях не используют такие широко распространенные в обычной электронике протоколы передачи данных как UART, SPI или I2C. Вместо них конструкторы автомобилей отдают предпочтение значительно более надежным протоколам передачи данных, таким как LIN, CAN, FlexRay и т.д.
Наибольшее распространение среди этих «надежных» протоколов получил стандарт (протокол) CAN. Этот стандарт широко применяется не только в электронных системах современных автомобилей, но и во многих других промышленных устройства, в которых критически важна надежная передача данных. Достаточно подробную информацию о стандарте CAN можно прочитать в соответствующей статье Википедии. Мы же в данной статье рассмотрим обмен данными между двумя платами Arduino с помощью протокола CAN.
Краткие сведения о протоколе CAN
CAN (Controller Area Network – сеть контролеров) представляет собой протокол (стандарт) последовательной связи, разработанный для промышленных и автомобильных приложений. Это ориентированный на обмен сообщениями протокол, используемый для связи между множеством (несколькими) устройств. Когда различные CAN устройства соединены между собой как показано на следующем рисунке, они формируют сеть, которая работает наподобие центральной нервной системы человека и позволяет любому устройству общаться с любым другим устройством в этой сети.
CAN-сеть состоит из двух проводников (CAN High и CAN Low) и обеспечивает двунаправленную передачу данных. На практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары. Передача ведется кадрами, которые могут принимать все узлы сети. Для доступа к такой шине выпускаются специализированные микросхемы (модули) – драйверы CAN-шины.
Обычно скорость передачи по CAN-шине варьируется от 50 Кбит/с до 1 Мбит/с, а дальность связи лежит в диапазоне от 40 метров (на скорости 1 Мбит/с) до 1000 метров (на скорости 50 Кбит/с).
Формат CAN сообщений
В CAN-сети данные передаются в виде сообщений определенного формата. Этот формат состоит из большого числа сегментов, но двумя основными сегментами является идентификатор (identifier) и данные (data), которые и позволяют передавать и принимать сообщения по CAN-шине.
Идентификатор (Identifier) – также известен под именами CAN ID и PGN (Parameter Group Number). Он используется для идентификации CAN устройств в CAN-сети. Длина идентификатора составляет 11 или 29 бит в зависимости от того какой тип протокола CAN используется:
- Standard (стандартный) CAN: 0-2047 (11-bit);
- Extended (расширенный) CAN: 0-2 29 -1 (29-bit).
Data – это данные, которые необходимо передать от одного устройства другому. Длина данных может составлять от 0 до 8 байт.
Data Length Code (DLC) (длина поля данных): может принимать значения от 0 до 8 в зависимости от количества байт для передачи.
Проводники, используемые в CAN
CAN протокол работает по двум проводникам, именуемыми CAN_H и CAN_L, для передачи и приема информации. Оба проводника работают как дифференциальная линия, что означает что CAN сигнал (0 или 1) представляет собой разность потенциалов между CAN_L и CAN_H. Если эта разность положительна и больше определенного минимального уровня напряжения, то это 1, а если эта разность отрицательна – то это 0.
Обычно в протоколе CAN используется кабель с витыми жилами. Как показано на выше приведенном рисунке, на обоих концах CAN-сети включается 120-омный резистор для обеспечения баланса в линии.
Сравнение CAN с SPI и I2C
На нашем сайте мы ранее уже рассматривали использование в платах Arduino протоколов SPI и I2C, поэтому давайте сравним данные протоколы с протоколом CAN.
быстрый: 400 Кбит/с;
По скорости стандарт CAN не в лидерах, но его главным «козырем» является высокая надежность связи.
Применения CAN протокола
- В связи с чрезвычайно высокой надежностью и устойчивостью CAN протокола он широко применяется в автомобилях, промышленных механизмах, сельском хозяйстве, медицинском оборудовании и т.д.
- В связи с небольшим количеством используемых проводников CAN протокол исключительно удобен для применения в автомобилях.
- Устройства на основе CAN протокола отличаются низкой стоимостью.
- В CAN-сеть (шину) легко добавлять и удалять новые устройства.
Использование протокола CAN в Arduino
Поскольку платы Arduino не имеют в своем составе встроенного CAN порта, то для реализации связи между ними по данному протоколу мы будем использовать внешние CAN модули MCP2515. Эти модули подключаются к плате Arduino по интерфейсу SPI.
CAN модуль (контроллер шины CAN) MCP2515
Модуль MCP2515 включает в себя CAN контроллер MCP2515, который представляет собой высокоскоростной CAN приемопередатчик. Соединение модуля MCP2515 с микроконтроллером осуществляется с помощью интерфейса SPI, поэтому его легко подключить ко всем микроконтроллерам с данным интерфейсом.
Начинающим изучение CAN-шины целесообразно начинать именно с этого модуля ввиду его простоты и легкости подключения к большинству современных микроконтроллеров.
Основные технические характеристики модуля MCP2515:
- включает в себя высокоскоростной CAN приемопередатчик TJA1050;
- размеры модуля: 40×28mm;
- управление по интерфейсу SPI с возможностью подключения к CAN-шине нескольких устройств;
- кварцевый генератор на 8 МГц;
- сопротивление на концах 120 Ом;
- включает независимый ключ, светодиодный индикатор, индикатор мощности;
- поддерживает скорости передачи данных до 1 Мбит/с;
- низкий потребляемый ток в режиме ожидания;
- возможность подключения до 112 устройств (узлов).
Назначение контактов (распиновка) CAN модуля MCP2515 представлено в следующей таблице.
| Наименование контакта | Назначение контакта |
| VCC | контакт питания 5 В |
| GND | общий провод (земля) |
| CS | SPI SLAVE select pin (Active low) (выбор ведомого) |
| SO | SPI master input slave output lead |
| SI | SPI master output slave input lead |
| SCLK | контакт синхронизации SPI |
| INT | контакт прерывания MCP2515 |
В данном проекте мы будем передавать данные, считываемые с датчика температуры и влажности DHT11 платой Arduino Nano, плате Arduino Uno с помощью CAN модуля MCP2515.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
- Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
- Датчик температуры и влажности DHT11 (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
- MCP2515 CAN Module (контроллер шины CAN MCP2515) – 2 шт. (купить на AliExpress).
- Потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).
- Макетная плата.
- Соединительные провода.
Схема проекта
Схема проекта для связи между двумя платами Arduino с помощью протокола CAN и модулей MCP2515 представлена на следующем рисунке.
Соединения на передающей стороне:
| Компонент — контакт | Arduino Nano |
| MPC2515 — VCC | +5V |
| MPC2515 — GND | GND |
| MPC2515 — CS | D10 (SPI_SS) |
| MPC2515 — SO | D12 (SPI_MISO) |
| MPC2515 — S I | D11 (SPI_MOSI) |
| MPC2515 — SCK | D13 (SPI_SCK) |
| MPC2515 — INT | D2 |
| DHT11 — VCC | +5V |
| DHT11 — GND | GND |
| DHT11 — OUT | A0 |
Соединения на приемной стороне:
| Компонент — контакт | Arduino Uno |
| MPC2515 — VCC | +5V |
| MPC2515 — GND | GND |
| MPC2515 — CS | 10 (SPI_SS) |
| MPC2515 — SO | 12 (SPI_MISO) |
| MPC2515 — SI | 11 (SPI_MOSI) |
| MPC2515 — SCK | 13 (SPI_SCK) |
| MPC2515 — INT | 2 |
| LCD (ЖК дисплей) — VSS | GND |
| LCD — VDD | +5V |
| LCD — V0 | к среднему контакту потенциометра 10 кОм |
| LCD — RS | 3 |
| LCD — RW | GND |
| LCD — E | 4 |
| LCD — D4 | 5 |
| LCD — D5 | 6 |
| LCD — D6 | 7 |
| LCD — D7 | 8 |
| LCD — A | +5V |
| LCD — K | GND |
Соединения между двумя CAN модулями MCP2515:
H – CAN High
L – CAN Low
| MCP2515 (Arduino Nano) | MCP2515 (Arduino UNO) |
| H | H |
| L | L |
После сборки всей схемы на макетных платах у нас получилась следующая конструкция.
Объяснение программы для Arduino
Первым делом нам необходимо установить библиотеку для работы с протоколом CAN в Arduino IDE. Сначала скачайте ZIP файл библиотеки по следующей ссылке — Arduino CAN MCP2515 Library. Затем установите ее в Arduino IDE с помощью пункта меню Sketch -> Include Library -> Add .ZIP Library.
В нашем проекте мы код программы разделим на две части: для передающей части и для приемной части. Полные коды программ приведены к конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим их основные фрагменты.
Инициализация CAN модуля MCP2515
Для установления соединения платы Arduino с модулем MCP2515 выполните следующую последовательность шагов. Но перед этим убедитесь в том, что указанная выше библиотека CAN MCP2515 установлена в вашу Arduino IDE.
Шаг 1. Установите номер контакта, к которому подключена линия CS интерфейса SPI (10 по умолчанию).
Новичку о подключении к CAN шине
Для работы с CAN шиной автомобиля необходимо знать:
CAN шина – это сеть обмена данными определенная в стандарте ISO 11898. Другие каналы обмена данными в автомобиле не могут быть названы CAN шиной. AVC-LAN, BEAN, J1708, VAN и другие старые протоколы это НЕ CAN !
В автомобиле может быть более одной CAN шины. Для каждого функционального сегмента автомобиля выделяется своя сеть CAN. Выделенные сети могут работать на разных скоростях.
Скорости работы CAN шины
CAN на разных автомобилях и в разных сегментах сети может работать на разных скоростях.
Названия сегментов сети: Мотор, Шасси, Комфорт, Салон – условны! У Каждого автопроизводителя свои названия этих участков сети!
- Группа VAG: Моторшасси – 500 кбитс, Комфорт – 100 кбитс и с 2018 года шина Комфорт может иметь скорость 500 кбитс., Диагностика: 500 кбитс.
- BMW : МоторШасси – 500кбитс, Комфорт – 125 кбитс и с 2018 года шина Комфорт может иметь скорость 500 кбитс., Диагностика: 500 кбитс.
- Mercedes-Benz : МоторШасси – 500 кбитс, Комфорт 83.333 кбитс, 250 кбитс, Диагностика: 500 кбитс.
- Ford, Mazda : МоторШасси – 500 кбитс, Комфорт 125 кбитс. (Для Ford может быть больше вариантов)
- KIAHyundai : МоторШасси – 500 кбитс, Комфорт 125 кбитс, 500 кбитс, Мультимедиа: 125 кбитс, 500 кбитс., Диагностика: 500 кбитс.
- GM : МоторШасси – 500 кбитс, Комфорт: 33.333 кбитс, 95.2 кбитс, Диагностика: 500 кбитс.
- Toyota, Nissan, Honda, Subaru, Suzuki : 500 кбитс (может использоваться гейтвей)
- Mitsubishi : МоторШасси: 500 кбитс, СалонКомфорт – 83.333 кбитс, 250 кбитс, Диагностика: 500 кбитс.
- Volvo : МоторШасси: 500 кбитс, СалонКомфорт – 500 кбитс, 125 кбитс, Диагностика: 500 кбитс.
- Renault : 500 кбитс
- Peugeot : МоторШасси – 500 кбитс, Комфорт 125 кбитс.
- Lada : 500 кбитс
- Коммерческая и специальная техника : Стандарт J1939 250 или 500 кбитс.
Сегментация CAN шины по функциональному назначению
- Как правило разные, сегменты сети разделены специальным устройством, которое называется Гейтвей (Gateway, ZGW, ETACS, ICU) .
- В роли гейтвея может выступать панель приборов (для простых автомобилей) или отдельный специальный модуль межсетевого интерфейса.
- Гейтвей разделяет потоки данных в разных сегментах сети и обеспечивает связь сегментов сети работающих на разных скоростях.
- ВАЖНО: На многих автомобилях (особенно VAG, MB, BMW) CAN шина в диагностическом разъеме OBD2 отделена от других участков сети при помощи гейтвея, поэтому подключившись к CAN шине OBD разъема невозможно увидеть поток данных. В этом случае можно увидеть только обмен между диагностическим инструментом и автомобилем во время процесса диагностики! Так же модулем гейтвеем оборудованы автомобили японских марок с 2016..2018 годов в зависимости от модели.
- ОБЯЗАТЕЛЬНО изучайте схемы на исследуемый автомобиль, чтобы знать к какому сегменту сети Вы подключаетесь!
Схема ниже изображена в общем виде для упрощения понимания роли Гейтвея. Количество CAN шин и варианты включения блоков управления к тому или другому сегменту сети могут отличаться.
Реализации CAN на уровне электрических сигналов
CAN шина может быть реализована физически тремя способами:
1 ISO11898-2 или CAN-High Speed.
Классическая витая пара нагруженная с обоих концов резисторами 120 Ом. 
В этом случае уровни на шине CAN выглядят так: 
Для такой реализации сети используются как правило обычные CAN трансиверы в 8 выводном корпусе, аналоги PCA82C250, TJA1050 и им подобные. Работает такая конфигурация на скоростях 500 кбитс и выше. (Но могут быть исключения) .
2 ISO11898-3 или CAN-Low Speed или Faut Tolerant CAN
В этом варианте используется та же витая пара, но линии CAN-High и CAN-Low подтянуты к напряжению питания и массе соответственно.
Такой вариант CAN шины способен переключаться в однопроводный режим в случае повреждения одной из линий. Работает на скоростях до 250 кбитс.Уровни сигнала на шине отличаются от High Speed CAN, при этом не теряется возможность работы с шиной FT-CAN используя трансиверы High-Speed CAN и соблюдая ряд условий.
Подробнее в нашей статье о FT-CAN – ссылка. 
Fault tolerant CAN обычно используется для низкоскоростного обмена между блоками управления относящимися к сегменту сети СалонКомфортМультимедиа.
ВАЖНО: При подключении к шине Faul tolerant CAN, подключать терминальный резистор 120 Ом между линиями CAN-High и CAN-Low НЕ НУЖНО !
3 Single Wire CAN или SW-CAN
Однопроводный вариант шины CAN. Работает на скорости 33.333 кбитс
Используется специальный тип трансиверов. Для того что бы подключиться к такому варианту шины CAN необходимо линию CAN-High анализатора подключить к шине SW-CAN а линию CAN-Low к массеземле. 
https://microkontroller.ru/arduino-projects/ispolzovanie-standarta-can-v-arduino-polnoe-rukovodstvo/
