CAN-Gateway

           

Can-Gateway Release status: stable [box doku]
Description	CAN <-> RS232 Gateway
Author(s)	Tixiv, Hansinator
Last Version	1.1 ()
Platform	AVR (ATMega8)
License	Source: GPL
Download	c Code, trac

Wir haben in ein 19' Rack Gehäuse, das mal aus dem Schrott gezogen wurde, ein CAN-RS232-Gateway eingebaut. Empfangene CAN Pakete werden dabei über RS232 getunnelt, so das eine Software auf einem Client PC diese wieder entkapseln kann. In den Gehäuse gibt es ein Netzteil für die 13V Bus Spannung (Es wurde von 24V umgebaut), und eine Menge Leuchtdioden, um diverse Betriebszustände signalisieren zu können. Außerdem ist eine Hauptplatine vorhanden, auf der ein Atmega8 werkelt. Auf dieser Platine befinden sich auch die Bausteine für den CAN Bus, und ein Max232 für die serielle Seite. Weiterhin gibt es Schieberegister und 16 Treiberstufen für die LEDs im Rest des Rack Gehäuses (Die waren schon so...).

Aktuelle Parameter

• Atmega8 @ 18.432000 MHz
• MCP2515 @ 16.000000 MHz
• 230400 Baud Symbolrate auf der EIA-232 Schnittstelle (mit USB-Seriell Adapter)
• 125 kBit CAN Bus
• 13V Busspannung
• Bus U und I Messung
• /dev/cangw am Server
• Debug LEDs
• lfuse 0x1f, hfuse c1

Netzaufbau

+----------------+             +-------------------+                 +------------+              +---------------------+
|  CAN-Device  <-|-> CAN-Bus <-|->  CAN-Gateway  <-|->  EIA-232  <-|->  Cand  <-|->  tcp/ip  <-|->  lapcontrol + UI  | 
+----------------+             +-------------------+                 +------------+              +---------------------+

UDev Rule

Folgende rule macht, dass das CAN-Gateway als /dev/cangw auftaucht:

$ cat /etc/udev/rules.d/99-cangateway.rules
SUBSYSTEM=="tty", ATTRS{idVendor}=="10c4", ATTRS{idProduct}=="ea60", ATTRS{serial}=="2342",
 OWNER="cand", GROUP="dialout", MODE="666", SYMLINK+="cangw"

RS232-CAN-Gateway Protokoll

Das CAN-Gateway verwendet ein einfaches Protokoll, welches Steuerkommandos und CAN-Frames übertragen kann.

RS232-CAN-Gateway Paket
+-------------+-------------+-------------------+----------------+ | uint8_t cmd | uint8_t len | uint8_t[] payload | uint16_t crc16 | +-------------+-------------+-------------------+----------------+
Feld	Bedeutung	Datentyp	Länge (Bytes)
cmd	Kommando	unsigned byte	1
len	Payload-Länge	unsigned byte	1
payload	Daten	unsigned byte array	0-20
crc16	CRC16 Checksumme	unsigned word, MSB first	2

• Maximale Gesamtlänge: 24 Bytes
• Minimale Gesamtlänge: 4 Bytes

Kommunikation (Ablauf)

Zunächst muss zur korrekten Datenübertragung sichergestellt sein, dass Sender und Empfänger synchronisiert sind und sich im selben Zustand befinden. Wenn der Zustand des Empfängers unbekannt ist, muss ein Sender nach dem Einschalten eine Synchronisationssequenz senden. Diese Sequenz besteht aus einer Folge von Nullen die der maximalen Paketlänge entspricht (24 Bytes). Die State-Machine des Empfängers muss garantieren, dass eine Eingabe von 24 Nullbytes in Folge diese in ihren Ausgangszustand versetzt. Die Synchronisation kann auch durchgeführt werden, wenn der Byte-Offset von Sender und Empfänger im laufenden Betrieb nicht mehr synchron ist. Dies tritt z.B. auf, wenn Bytes auf der seriellen Leitung verloren oder Kaputt gehen. Insbesondere eine Fehlinterpretation des Längenbytes macht eine Resynchronisation nötig.

Befinden sich Sender und Empfänger im Ausgangszustand, kann eine Paketübertragung initiiert werden in dem ein Kommandobyte mit einem Wert größer 0 übertragen wird. Die Null ist somit ein reservierter Wert und darf nicht für Kommandos verwendet werden. Das nächste Byte gibt die Länge des Payload an. Ist das Längenbyte 0, wird kein Payload übertragen. Jedes Paket endet mit einer 2-Byte langen CRC16-Checksumme über das gesamte Paket.

Beachte, dass CAN-GW und Host gleichzeitig ein Sender und Empfänger sind. Es existieren also zwei unidirektionale Kommunikationskanäle, die auch unabhängig voneinander (De-)Synchronisiert sein können.

Kommandos

Das Kommando 0x11 kündigt einen CAN-Frame an. Multi-Byte Werte sind Little Endian

Kommando	Beschreibung	Byte-Wert (hex)	Richtung	Payload
sync	Synchronisationssequenz	0x00	beide	-
setfilter	(nicht implementiert)	0x10	GW	-
packet	Raw CAN-Frame im Payload	0x11	beide	CAN-Frame
setmode	Set CAN Bus Mode (Normal, Debug) (nicht implementiert)	0x12	GW	enum { normal, mode_sleep, loopback, listenonly, config } can_mode_t
error	CAN-GW Errormeldung	0x13	Host	-
notify reset	CAN-GW hat gestartet	0x14	Host	(uint8_t) MCUSR & 0xF (reset cause flags)
ping gateway	CAN-GW Pinganforderung oder Antwort	0x15	GW	-
resync request	Synchronisationssequenz anfordern	0x16	beide	-
version	Firmware Version anfordern oder Antwort	0x17	GW	uint8_t major, uint8_t minor
id string	Firmware ID-String anfordern oder Antwort	0x18	GW	reply: nicht null-terminierter string
packet stats	Packet Counter anfordern oder Antwort	0x19	GW	reply: struct { uint32_t rx_count, tx_count, rx_size, tx_size; }
error stats	MCP2515 Error Counter anfordern oder Antwort	0x1A	GW	reply: struct { uint8_t rx_errors, tx_errors, error_flags; }
power draw	Busenergieverbrauchsmessung anfordern oder Antwort	0x1B	GW	reply: struct { uint16_t v, i, ref, gnd; }
read ctrl reg	Kontrollegister lesen	0x1C	GW	reply: uint8_t
write ctrl reg	Kontrolregister schreiben	0x1D	GW	uint8_t value; reply: uint8_t new value
get reset cause	Resetgrund erfragen	0x1E	GW	(uint8_t) MCUSR & 0xF (reset cause flags)

Hinweis: Ein Ping darf zwar nur in Richtung Gateway gesendet werden, jedoch muss das Gateway auch mit einem Ping in Richtung Host antworten.

Achtung: Alle structs und puffer gehen mit byte 0 voran, alle Ganzzahlen sind little-endian!

CRC16-Algorithmus

Zur Berechnung der Checksumme wird die CRC16 Routine der AVR-Libc verwendet. Das C-Äquivalent dieser Funktion ist wie folgt:

uint16_t crc16_update(uint16_t crc, uint8_t a)
{
    int i;

    crc ^= a;
    for (i = 0; i < 8; ++i)
    {
        if (crc & 1)
            crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
        else
            crc = (crc >> 1);
    }

    return crc;
}

Beispielcode

Folgende C-Struktur beschreibt ein RS232-CAN-Gateway Paket ohne Checksumme.

#define RS232CAN_MAXLENGTH 20
typedef struct {
	unsigned char cmd;
	unsigned char len;
	char data[RS232CAN_MAXLENGTH];
} rs232can_msg;

Folgender C-Code implementiert eine Reentrante Beispiel State-Machine zum Empfang von Paketen für dieses Protokoll:

typedef enum {STATE_START, STATE_LEN, STATE_PAYLOAD, STATE_CRC} canu_rcvstate_t;

rs232can_msg	 canu_rcvpkt;
canu_rcvstate_t  canu_rcvstate = STATE_START;
unsigned char 	 canu_rcvlen   = 0;
unsigned int	 crc;

//returns Message or 0 if there is no complete message.
rs232can_msg * canu_get_nb()
{
	static char *uartpkt_data;
	unsigned char c;

        //try to get the next char non-blocking from uart
	while (uart_getc_nb(&c))
	{
		switch (canu_rcvstate)
		{
		case STATE_START:
			if (c)
			{
				canu_rcvstate = STATE_LEN;
				canu_rcvpkt.cmd = c;
			}
			break;
		case STATE_LEN:
			canu_rcvlen       = (unsigned char)c;
			if(canu_rcvlen > RS232CAN_MAXLENGTH)
			{
				canu_rcvstate = STATE_START;
				break;
			}
			canu_rcvstate     = STATE_PAYLOAD;
			canu_rcvpkt.len   = (unsigned char)c;
			uartpkt_data      = &canu_rcvpkt.data[0];
			break;
		case STATE_PAYLOAD:
			if(canu_rcvlen--)
				*(uartpkt_data++) = c;
			else
			{
				canu_rcvstate = STATE_CRC;
				crc = c;
			}
			break;
		case STATE_CRC:
			canu_rcvstate = STATE_START;
			crc <<= 8;
			crc |= c;
			if(crc == crc16(&canu_rcvpkt.cmd, canu_rcvpkt.len + 2))
				return &canu_rcvpkt;
			break;
		}
	}

	return NULL;
}

Energiemessung

Auf dem CAN-Gateway befindet sich eine Schaltung um die Busspannung und den Strom zu messen. Dazu ist die Spannung über einen Spannungsteiler an einen ADC Pin des ATmega gelegt. Zur Strommessung wird der Spannungsabfall über einen High-Side 0,01 Ohm Shunt-Widerstand mit einem Operationsverstärker differentiell verstärkt und ebenfalls an einen ADC pin des ATmega gelegt.

Spannungsmessung

Folgende Skizze entspricht der Spannungsmessschaltung:

/ \ Buspower +13V (Ubus)
 |
---
| |
| | R1 = 2,7 kOhm
---
 |
 |-------------> PC5 [ADC5] +4,81V (Uadc)
 |
---
| |
| | R2 = 1 kOhm
---
 |
 |
--- GND

Uadc berechnet sich wie folgt:

           R2
Uadc =  --------- * Ubus
         R1 + R2

Umgekehrt, um von Uadc auf Ubus zu schließen, bedeutet das also:

         Uadc * (R1 + R2)
Ubus =  -----------------
               R2

Strommessung

Folgendes Schaltbild entspricht grob der Strommesschaltung (die Echte hat noch fancy Gleichtaktdingsungsstuff, ist aber vernachlässigbar hier):

/ \ Buspower-in +13V (Ubus_in)
 |
 |----------------
 |               |
---              |
| |   Rshunt     |  +       Differentialverstärker mit
| | = 0,01 Ohm   |---|\  <- 10x Verstärkung (amp = 10)
---                  | \ _____
 |                   | /      |--> PC4 [ADC4] (Uadc = Ushunt * 10)
 |-------------------|/
 |                  -
 |
 |
 --> Buspower (Ubus)

Daraus folgt für Uadc:

Uadc = I * Rshunt * amp

Nach I umgestellt:

         Uadc
I =  -------------
      amp * Rshunt

ADC

Der ADC des ATmega ist so langsam wie möglich eingestellt (prescaler = 128) und sampled abwechselnd ADC5 und ADC4. Die dort gemessenen Werte haben eine Auflösung von 10 Bit und orientieren sich an AVCC als Referenz. AVCC entspricht in der aktuellen Konfiguration VCC und hat somit hoffentlich meistens eine Spannung von 5V.

Folgende Konstanten seien gegeben:

ADC_res = 2^10    (10 Bit ADC Auflösung)
Uref    = 5V      (5V Referenz)

Dabei stellt der maximal darstellbare Wert die Referenzspannung dar, ein Bit entspricht also einer Spannung von:

         Uref
Ulsb = ---------
        ADC_res

Also ist für einen gemessenen wert ADC_value die Spannung Uadc am gewählten ADC pin:

Uadc = Ulsb * ADC_value

Und wenn's Kapott ist?

Don't panic! Jetzt bitte nicht wild alle Dinge powercyclen, denn sonst wird dein Bugreport kacke..! Befolge lieber diese fünf einfachen Schritte:

• Man besorge sich eine Shell mit einem aktuellen lapcontrol binary, z.B. einer unserer Intranet-Server
• Folgenden Befehl absetzen: lapcontrol -s kvm gw ping
• Uhrzeit & Datum in Erfahrung bringen, kurz nachdenken was zuletzt vor dem Crash passiert ist
• Alle Daten notieren und an Hansinator senden.

Schritt 1 & 2 sind im Zweifel optional.. Die Zeit ist wichtig!

Wenn das Gateway nicht auf den Ping antwortet, dann könnte der Cand tot sein. Hier hilft ein Restart. Wenn das Gateway gesichert tot ist, sollte man es powercyclen. Kann man das Gateway gerade nicht Pingen, weil man vielleicht kein lapcontrol hat, dann gibt es eine alternative Möglichkeit: Man Beobachte die LEDs am Device, die sollten hin und wieder Flackern, z.B. wenn man Lichter schaltet oder etwas an den Laufschriftborg sendet.. oder einfach so...

Impressionen

Hier ist ein Video von einem glücklichen CAN-Gateway bei der Arbeit!