CAN總線：用編程來控制汽車

自動(dòng)駕駛汽車依靠人工智能、視覺計(jì)算、雷達(dá)、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動(dòng)的操作下，自動(dòng)安全地操作機(jī)動(dòng)車輛。

Voyage是汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域內(nèi)的一家專業(yè)公司，他們想要實(shí)現(xiàn)的終極目標(biāo)是：對(duì)于世界上的任何一個(gè)人，他都可以隨時(shí)隨地召喚一輛汽車直接開到他的家門口，并將他安全地送達(dá)到目的地，而且價(jià)格也非常便宜。對(duì)于Voyage來說，他們將不可避免地給乘客提供汽車關(guān)鍵功能的控制權(quán)，因?yàn)榭傆幸惶扉_車的將不再是我們?nèi)祟悾@一天馬上就要到來了。

CAN總線介紹

一臺(tái)現(xiàn)代化汽車擁有大量的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)的作用與Web應(yīng)用中各種微服務(wù)的作用是非常相似的。對(duì)于一臺(tái)電動(dòng)汽車來說，它擁有安全氣囊、自動(dòng)剎車系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、電動(dòng)車門、后視鏡調(diào)整系統(tǒng)、以及電池與充電系統(tǒng)等等。這些系統(tǒng)需要相互通信并獲取其他系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。1983年， 博世公司 (德國一家從事汽車與智能交通技術(shù)的公司)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開始嘗試通過研究CAN(Controller Area Network-控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))總線來解決這一復(fù)雜的問題。

你可以把CAN總線當(dāng)作一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)，汽車中的任何一個(gè)系統(tǒng)都可以通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)聽或發(fā)送命令，它可以將汽車中那些復(fù)雜的組件以一種“優(yōu)雅”的方式組合起來，并給我們的汽車提供各種各樣的現(xiàn)代化功能。

下圖為一輛1988年款的寶馬8系，這也是全球第一臺(tái)采用了CAN總線的汽車：

自動(dòng)駕駛汽車與CAN總線

近些年來，隨著自動(dòng)駕駛汽車的快速發(fā)展，CAN總線的概念也得到了普及。為什么呢?因?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車領(lǐng)域內(nèi)的絕大多數(shù)公司都不會(huì)從零開始設(shè)計(jì)和制造自家的汽車，而且他們還需要想辦法通過編程的方式來控制汽車。

通過對(duì)汽車CAN總線進(jìn)行逆向工程分析，工程師將可以通過軟件來向汽車發(fā)送控制命令。比如說，最常用的控制命令有旋轉(zhuǎn)方向盤、加速(踩油門)和制動(dòng)(踩剎車)。

通過使用類似LIDAR(激光雷達(dá))這樣的傳感器，汽車將能夠“看到”或“感受到”它所處的外部環(huán)境。汽車內(nèi)的電腦可以根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)來決定向汽車發(fā)送怎樣的控制命令，比如說將方向盤旋轉(zhuǎn)多少度、加速到多少邁、或者是否應(yīng)該立即踩剎車等等。

下圖為LIDAR技術(shù)的動(dòng)態(tài)演示圖：

實(shí)際上，并不是每一臺(tái)汽車都可以成為自動(dòng)駕駛汽車。

CAN總線

自從1994年開始，CAN已經(jīng)成為了美國汽車和輕型卡車中的一種標(biāo)準(zhǔn)了，但是直到2008年它才成為一種強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。它主要使用了兩條線：CAN high(CANH)和CAN low(CANL)。CAN使用的是差分信號(hào)，這意味著當(dāng)信號(hào)傳輸進(jìn)來時(shí)，CAN會(huì)提升一條線路的電壓，并等量降低另一條線路的電壓。一般來說，只有對(duì)噪聲容錯(cuò)較高的環(huán)境才會(huì)使用差分信號(hào)，例如汽車系統(tǒng)或工業(yè)制造領(lǐng)域。

下圖顯示的是示波器中觀察到的原始CAN信號(hào)：

這也就意味著，通過CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包并非標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)包，每一個(gè)CAN總線數(shù)據(jù)包都包含下面這四個(gè)關(guān)鍵元素：

1.仲裁ID(Arbitration ID)：仲裁ID是一種廣播消息，代表的是需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的設(shè)備ID，不過一臺(tái)設(shè)備可以發(fā)送多個(gè)仲裁ID。如果兩個(gè)CAN數(shù)據(jù)包同時(shí)在總線上進(jìn)行發(fā)送，那么仲裁ID較小的那個(gè)數(shù)據(jù)包將優(yōu)先傳輸;

2.標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展(IDE)：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CAN來說，這部分?jǐn)?shù)據(jù)永遠(yuǎn)為o;

3.數(shù)據(jù)長度碼(DLC)：它代表數(shù)據(jù)的長度，范圍從0到8字節(jié)不等;

4.數(shù)據(jù)(Data)：需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)CAN總線數(shù)據(jù)包可攜帶的數(shù)據(jù)大小最多為8字節(jié)，但某些系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)包強(qiáng)制填充至8個(gè)字節(jié);

標(biāo)準(zhǔn)CAN數(shù)據(jù)包的格式

CAN框架

為了能夠控制汽車空調(diào)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，我們首先需要找到正確的CAN總線(因?yàn)橐惠v汽車有很多CAN總線)。福特Fusion至少有四條總線(廠商記錄)，其中有三條為高速CAN(500 kbps)，還有一條為中速CAN(125 kbps)。

OBD-II端口暴露了其中的兩條總線：HS1和HS2，但這臺(tái)汽車上這兩條總線有防火墻的保護(hù)，因此不允許我們向其發(fā)送欺騙指令。在Alan(Voyage員工)的幫助下，我們解決了這個(gè)問題并成功拿到了HS1、HS2、HS3和MS的訪問權(quán)。注：OBD-II端口后面有一個(gè)名叫Gateway Module的設(shè)備，所有的總線最終都要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭@個(gè)設(shè)備中，這就是我們的解決方案。

由于空調(diào)系統(tǒng)可以通過汽車多媒體接口(SYNC)來進(jìn)行調(diào)整，因此我們直接將目標(biāo)鎖定在了MS總線身上。

但是我們?cè)鯓硬拍茏屛覀兊挠?jì)算機(jī)去讀寫CAN數(shù)據(jù)包呢?答案就是 SocketCAN ，它是一套開源CAN驅(qū)動(dòng)，而且也是 Linux內(nèi)核 中的一種網(wǎng)絡(luò)棧。

現(xiàn)在，我們可以將汽車上的三條線路(GND、MSCANH和MSCANL)連接到Kvaser Leaf Light HSv2或CANable上，然后通過一臺(tái)擁有最新版Linux內(nèi)核的計(jì)算機(jī)將這些總線當(dāng)作一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來進(jìn)行加載和讀取。

modprobe can

modprobe kvaser_usb

ip link set can0 type can bitrate 1250000

ifconfig can0 up

加載完成之后，我們可以使用命令candump can0，然后開始查看CAN的數(shù)據(jù)流量：

但是，我們這樣去監(jiān)控總線的數(shù)據(jù)流量，就相當(dāng)于用眼睛來觀察聲音信號(hào)的振幅一樣，我們不僅很難弄清楚總線到底在傳輸什么數(shù)據(jù)，而且也很難發(fā)現(xiàn)其中的模式或規(guī)律。因此，我們需要像分析聲音頻率一樣來分析這個(gè)問題，我們可以調(diào)用cansniffer.和cansniffer來查看相應(yīng)的ID，然后主要分析CAN框架的數(shù)據(jù)區(qū)域中具體發(fā)生了哪些變化。我們通過研究后發(fā)現(xiàn)，我們可以利用特定的ID來過濾掉那些我們不需要的數(shù)據(jù)，然后只留下與我們問題相關(guān)的那些數(shù)據(jù)。

下面我們對(duì)MS總線調(diào)用cansniffer命令。我們只留下了CAN id 355、356和358的相關(guān)數(shù)據(jù)，并過濾掉了其他無效內(nèi)容。與此同時(shí)，按下了汽車中的溫度調(diào)節(jié)按鈕，我們可以看到數(shù)據(jù)下方出現(xiàn)了001C00000000，它代表的就是我們按下調(diào)節(jié)按鈕的操作。

下一步就是將汽車的空調(diào)系統(tǒng)與我們運(yùn)行于汽車內(nèi)的PC進(jìn)行連接，PC運(yùn)行的是Robot操作系統(tǒng)(ROS)。幸運(yùn)的是我們使用了SocketCAN，因?yàn)樗幸粋€(gè)模塊可以方便我們的操作，即socketcan_bridge可以將我們的CAN框架轉(zhuǎn)換成一種ROS可接受的消息格式。

下面演示的是整個(gè)解碼過程：

if frame.id == 0x356:

raw_data = unpack('BBBBBBBB', frame.data)

fan_speed = raw_data[1] / 4

driver_temp = parse_temperature(raw_data[2:4])

passenger_temp = parse_temperature(raw_data[4:6])

解碼后的數(shù)據(jù)保存在CelsiusReport.msg之中：

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_te

在按下了汽車內(nèi)所有的相關(guān)按鈕之后，我們得到了下面這個(gè)清單列表：

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,

}

現(xiàn)在，我們就可以直接向ROS節(jié)點(diǎn)發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)，然后通過它來將我們發(fā)送的信息轉(zhuǎn)換成汽車可以識(shí)別的特殊代碼：

rostopic pub /celsius_control celsius/CelsiusControl ac_toggle

分析結(jié)果

我們現(xiàn)在可以向CAN總線發(fā)送相應(yīng)的CAN控制代碼了，這些代碼與我們按下汽車物理實(shí)體按鈕時(shí)所發(fā)出的總線控制命令是一樣的。這也就意味著，我們可以遠(yuǎn)程改變汽車的車內(nèi)溫度了。