Czym jest magistrala CAN?

Magistrala CAN (Controller Area Network) to standard komunikacyjny opracowany w latach 80. z myślą o przemyśle motoryzacyjnym. Pozwala ona na wymianę danych pomiędzy wieloma urządzeniami elektronicznymi połączonymi w jedną sieć – przykładowo między sterownikiem silnika, modułem ABS i czujnikami w samochodzie. CAN jest magistralą dwukierunkową i multimaster, co oznacza, że wiele urządzeń może nadawać komunikaty, a sieć rozwiązuje ewentualne kolizje. Cechuje ją wysoka niezawodność i odporność na zakłócenia – sygnał jest przesyłany różnicowo po skrętce, dzięki czemu zakłócenia wpływają tak samo na obie linie i wzajemnie się znoszą. Początkowo CAN wykorzystywano głównie w autach (sterowanie silnikiem w czasie rzeczywistym, poduszki powietrzne, systemy kontroli trakcji), ale z czasem trafiła także do przemysłu (maszyny, linie produkcyjne) i automatyki budynkowej. Dziś jest to jeden z najpopularniejszych sposobów komunikacji mikrokontrolerów tam, gdzie wymagane jest niezawodne działanie w trudnych warunkach (hałas elektryczny, duże odległości do 30 m i więcej).

Moduł CAN – jak działa i do czego służy?

Sam protokół CAN to tylko standard wymiany danych; aby skorzystać z niego w praktyce, potrzebny jest moduł CAN stanowiący pomost między magistralą a naszym mikrokontrolerem (np. Arduino). Taki moduł zwykle składa się z:

• Kontrolera CAN – układ scalony, który formatuje dane do postaci ramek CAN i zarządza ich wysyłaniem/odbieraniem. Przykładem popularnego kontrolera jest MCP2515, często stosowany w modułach dla Arduino.

• Transceivera CAN – czyli nadajnika/odbiornika analogowego dopasowującego sygnały logiczne z kontrolera do poziomów napięć magistrali CAN. Standardowym transceiverem jest TJA1050 lub nowsze (np. SN65HVD230). Transceiver zapewnia właściwe napięcia na linii CAN_H i CAN_L oraz wykrywanie dominujących/recesywnych stanów zgodnie z protokołem.

Dzięki takiemu modułowi, urządzenie (np. mikrokontroler) może podsłuchiwać komunikację w sieci CAN lub wysyłać do niej własne komunikaty. W praktyce otwiera to ogromne możliwości: możemy zbierać dane z samochodu (np. odczytywać obroty silnika, położenie przepustnicy, kody błędów) lub sterować dodatkowymi elementami wpiętymi w sieć CAN (np. w inteligentnych instalacjach domowych opartych na CAN). Moduły CAN są wykorzystywane także w robotyce – wiele zaawansowanych czujników i kontrolerów (np. żyroskopy, sterowniki silników w robotach przemysłowych) komunikuje się właśnie przez CAN.

Jak wykorzystać moduł CAN w swoim projekcie?

Aby skorzystać z modułu CAN, należy podłączyć go do głównego sterownika projektu (np. do Arduino UNO). Typowy moduł CAN-BUS oparty na MCP2515 komunikuje się z Arduino przez interfejs SPI – wymaga podłączenia pinów MOSI, MISO, SCK oraz pinu CS (chip select) do wybranych pinów cyfrowych Arduino. Dodatkowo konieczne jest zasilanie (zwykle 5V lub 3.3V w zależności od modułu) oraz linie sygnałowe CAN_H i CAN_L wychodzące do magistrali CAN. W samochodzie linie te podłączamy np. do odpowiednich przewodów w złączu OBD-II (po wcześniejszym upewnieniu się co do ich funkcji). Po stronie oprogramowania potrzebna będzie biblioteka obsługująca MCP2515 – dostępne są gotowe biblioteki Arduino (np. CAN Bus Library). Konfigurujemy prędkość magistrali (typowo 125 kb/s, 250 kb/s lub 500 kb/s w zależności od auta) i możemy nasłuchiwać ramek. Przykład: chcąc odczytać dane z sieci CAN pojazdu, możemy ustawić moduł w tryb czytania wszystkich ramek i wypisywać je przez port szeregowy – zobaczymy identyfikatory i dane. Znając specyfikację (tzw. DBC file lub opis producenta), zinterpretujemy te dane, np. odczytamy prędkość pojazdu lub temperaturę silnika. Moduł CAN pozwala też na wysyłanie ramek – co wykorzystywane jest np. w symulatorach czujników (udając sensor wpięty w CAN) lub przy tuningu – choć wpinanie własnych komunikatów do magistrali samochodu wymaga wiedzy, by nie zakłócić pracy oryginalnych sterowników.

Przykłady modułów CAN dostępnych w Elektroweb

• Moduł CAN-BUS MCP2515 + TJA1050 SPI – popularny moduł komunikacyjny, który pozwala dodać interfejs CAN do Arduino, Raspberry Pi i innych mikrokontrolerów. Posiada złącze SPI do komunikacji oraz zworki konfiguracyjne. Idealny do odczytu danych z samochodu lub budowy własnej sieci czujników CAN.

• Shield CAN-BUS dla Arduino – nakładka na Arduino UNO wyposażona w układy MCP2515 i MCP2551, a także gniazdo SUB-D9 kompatybilne z OBD-II. Ułatwia podłączenie Arduino bezpośrednio do samochodu lub innej magistrali CAN – wystarczy wpiąć shield i skorzystać z gotowej biblioteki, by odbierać i wysyłać ramki CAN.

• Moduł CAN FD – nowoczesny moduł obsługujący standard CAN FD (Flexible Data Rate), zapewniający większą przepustowość i dłuższe ramki danych. Przydatny w najnowszych aplikacjach motoryzacyjnych i przemysłowych, gdzie klasyczny CAN 2.0A/2.0B może być niewystarczający.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Czym różni się magistrala CAN od UART albo I2C?
UART to komunikacja między dwoma urządzeniami (punkt-punkt), I2C to magistrala multimaster ale raczej do komunikacji na małe odległości w urządzeniu (np. czujnik – mikrokontroler). CAN zaś jest bardziej zaawansowaną magistralą przemysłową: działa na większe odległości, łączy wiele urządzeń w sieci bez nadrzędnego mastera, a do tego ma mechanizmy wykrywania kolizji i błędów. CAN jest też odporniejszy na zakłócenia niż UART czy I2C.

Czy do użycia modułu CAN potrzebuję specjalnego oprogramowania?
Tak, potrzebna jest biblioteka obsługująca kontroler CAN na module (np. MCP2515). W środowisku Arduino można skorzystać z gotowych bibliotek, które upraszczają konfigurację i obsługę komunikatów CAN. Po stronie PC (jeśli podłączasz CAN do komputera) bywają używane analizatory i oprogramowanie typu CAN monitoring do wyświetlania i filtracji ramek.

Jakie są typowe prędkości magistrali CAN?
Standardowy CAN 2.0 najczęściej pracuje z prędkościami 125 kb/s, 250 kb/s lub 500 kb/s. W samochodach osobowych często spotyka się 500 kb/s dla sieci powertrain (silnik, ABS itp.) oraz 125 kb/s dla sieci komfortu (moduły drzwi, radio). Maksymalna prędkość klasycznego CAN to 1 Mb/s (na krótkich odcinkach). Nowszy CAN FD pozwala na prędkości powyżej 1 Mb/s w fazie danych (np. 2 czy 5 Mb/s).

Czy jeden moduł CAN wystarczy do nasłuchiwania komunikacji w samochodzie?
Tak, pojedynczy moduł CAN (MCP2515 + transceiver) podłączony do mikrokomputera (np. laptopa z konwerterem SPI->USB lub Arduino) wystarczy, aby odbierać ramki z magistrali CAN. Trzeba jednak znać protokół wyższej warstwy, by interpretować dane – same surowe ramki mają identyfikatory i bajty danych, których znaczenie zależy od producenta auta. Często potrzebna jest dokumentacja lub odwrócenie inżynierskie, by zrozumieć znaczenie ramek.

Czy moduły CAN mogą łączyć się z siecią w ciężarówkach lub maszynach rolniczych?
Tak, standard CAN jest wykorzystywany nie tylko w autach osobowych, ale i w ciężarówkach (gdzie funkcjonuje protokół wyższej warstwy J1939), maszynach rolniczych, budowlanych oraz w pojazdach specjalnych. Jeśli prędkość i napięcia są zgodne (w większości przypadków 5V logika i standard CAN 2.0), moduł CAN z MCP2515 będzie działał. Trzeba jedynie upewnić się co do typu złącza i ewentualnie zastosować przejściówkę (np. 9-pinowe okrągłe złącze Deutsch w maszynach przemysłowych).

Mam dwa Arduino – czy mogę je połączyć modułami CAN bez użycia samochodu?
Oczywiście. Dwa moduły CAN podłączone do dwóch Arduino stworzą między sobą sieć CAN. Wystarczy zewrzeć linie CAN_H obu modułów razem i CAN_L razem (oraz dodać terminatory 120 Ω na końcach magistrali). W ten sposób można np. zrobić własną komunikację między dwoma mikrokontrolerami na odległość kilkunastu metrów, bardzo odporną na zakłócenia. To ciekawa alternatywa dla UART przy połączeniach wielu urządzeń.

Co to jest terminator magistrali CAN i czy muszę go używać?
Terminator to rezystor (zazwyczaj 120 Ω) podłączony między liniami CAN_H i CAN_L na obu końcach magistrali. Jego zadaniem jest zapobieganie powstawaniu odbić sygnału na końcach kabla i zapewnienie odpowiedniej impedancji linii. W praktyce, jeśli masz dwa moduły CAN połączone 3-metrowym przewodem, na każdym końcu tego przewodu powinien być rezystor 120 Ω. W niektórych modułach CAN są wbudowane terminatory z możliwością odłączenia zworką – należy to sprawdzić i w razie potrzeby je aktywować lub dołożyć własne rezystory na końcach sieci.

Jaka jest różnica między CAN a CAN FD?
CAN FD (Flexible Data-rate) to rozszerzenie klasycznego CAN. Pozwala na wysyłanie dłuższych ramek danych (do 64 bajtów zamiast 8) i zwiększenie prędkości transmisji podczas przesyłania danych (często do kilku Mb/s). W fazie arbitrażu (ustalania kto nadaje) wciąż działa z prędkością klasyczną (np. 500 kb/s), ale potem może przyspieszyć, jeśli wszystkie węzły obsługują CAN FD. Wymaga to nowocześniejszych kontrolerów (np. MCP2517FD). Jeśli budujesz projekt, który ma współpracować z najnowszymi pojazdami, warto rozważyć moduł zgodny z CAN FD.