Linux上使用CAN通信的方法

一、CAN协议简介

1.1 CAN发展历程

CAN发展的重要历史事件

1.2 标准CAN与拓展CAN区别

CAN 1.0 定义的 CAN 具有 11 位消息标识，提供可能的 2048 个消息标识符。2.0 版允许有效的 29 位消息 ID。为了使新的 CAN 设备与旧的实现兼容，CAN 2.0 规范分为两部分，2.0A 和 2.0B。在 CAN 2.0A 中，消息格式与仅使用 11 位消息 ID 的旧版本 CAN 一致。 CAN 2.0B 中，允允许有效的 29 位消息 ID，然后可以在被动或主动模式下实现 CAN 2.0B。CAN 版本 1.0 和 2.0A 被称为“标准 CAN”，因为它们都使用 11 位消息 ID。CAN 2.0 B 被称为“扩展 CAN”，因为它使用扩展的 29 位消息 ID

1.3 参考

https://www.can-cia.org/can-knowledge/can/can-history/
https://en.wikipedia.org/wiki/CAN_bus#History
https://www.edaboard.com/threads/difference-between-can1-0-and-can-2-0.217912/

二、基于CAN的典型应用协议

SAE J1939/ISO11783
CANOpen
CANaerospace
DeviceNet
NMEA 2000

三、Linux上使用CAN的几种方式

3.1 Linux中CAN设备挂载的总线类型

Linux可以通过串口、USB、网口、PCIE等接口与CAN设备间接进行通信。

CAN设备连接在不同的硬件接口时，意味着CAN设备被挂载在Linux中不同的总线上，如USB总线、PCI-E总线（直接通过PCI-E与linux通讯），因此Linux采用不同的通讯协议与CAN设备进行通讯。

3.2 CAN转串口

• 设备形态：
  
  CAN转串口

• 数据传输流程：

Linux->串口->单片机->CAN

• 通讯协议：

利用linux自带的串口库，或ros的serial库对串口进行读写。

通过定义串口协议，如10个字节，前两个字节为CAN ID，后面8个字节为CAN Data。通过此对串口发送数据，让单片机对其进行转换为CAN数据。

协议参考：https://manual.zlg.cn/web/#/64/2607

3.3 CAN转USB

• 设备形态：
  
  CAN转USB

注意，不是所有的周立功CAN转USB设备都支持Linux，见表：https://manual.zlg.cn/web/#/146

• 数据传输流程：

Linux->USB->单片机->CAN

• 通讯协议：

与CAN转串口不一样，利用的库是libusb和libusbcan，对CAN转USB数据直接进行读写

libusb是linux驱动，可以操作USB接口对USB设备进行读写操作。

libusbcan是CAN转USB设备厂商给的驱动，其中定义了can数据帧的数据结构体，填充相应的CAN ID和CAN Data，最后通过USB进行读写。

协议参考：https://manual.zlg.cn/web/#/55/2282

3.4 CAN转网

• 设备形态：
  

  CAN转网

• 数据传输流程：

Linux->TCP(UDP)/IP->单片机->CAN

• 通讯协议：

利用Linux的socket库对网络设备进行读写操作。

Linux通过IP地址利用Socket与CAN设备通信，一个TCP/UDP帧包中包含若干个连续的CAN帧，每个CAN帧包含若干个字节，包含CAN ID和CAN Data。

协议参考：https://manual.zlg.cn/web/#/67/2693

3.5 CAN转PCI-E

• 设备形态：
  
  PCI-E转CAN

注意周立公CAN转PCI-E设备，型号PCI-5010-P不支持Linux：https://manual.zlg.cn/web/#/146

• 数据传输流程：

Linux->SocketCAN->单片机->CAN

• 通讯协议：

Linux提供了SocketCAN接口，使得CAN总线通信近似于和以太网的通信。网络设备通过IP确定地址，CAN设备通过CAN ID确定地址，如can0，can1...

CAN ID可以通过ifconfig -a查看

Linux利用SocketCAN库根据CAN的设备ID对其进行读写操作，CAN的数据结构在Socket CAN中被结构体定义，填充相应数据后发送即可。

协议参考：https://manual.zlg.cn/web/#/77/3180

3.6 USB转CAN（CANable）

• 设备形态：
  
  USB转CAN（SocketCAN）

开源地址：https://canable.io/

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• 数据传输流程：

注意与上面周立功的CAN转USB设备数据传输流程不同，利用的是SocketCAN，不是USB。

Linux->SocketCAN->单片机->CAN

• 通讯协议：

Linux利用SocketCAN库根据CAN的设备ID对其进行读写操作，CAN的数据结构在Socket CAN中被结构体定义，填充相应数据后发送即可。

SocketCAN简介：https://en.wikipedia.org/wiki/SocketCAN
协议参考1：https://canable.io/getting-started.html#socketcan-linux
协议参考2：https://manual.zlg.cn/web/#/77/3180

四、ROS中的CAN通信

4.1 ROS提供三个层次的驱动库

三个层次的驱动库

• ros_canopen：canopen包，http://wiki.ros.org/ros_canopen
• socketcan_bridge：将SocketCAN接口封装为ROS的topic，http://wiki.ros.org/socketcan_bridge
• socketcan_interface：直接操作SocketCAN接口，http://wiki.ros.org/socketcan_interface

socketcan_interface是较为底层的包，与Linux的socketcan打交道。

socketcan_bridge是ros中最常用的包，通过将接收到的topic转换为can数据发出去，或者把接收到的can数据转换为ros的topic。

ros_canopen是基于canopen应用协议的包，是上层协议。

4.2 socketcan_bridge包

该功能以三个节点的形式提供：socketcan_bridge_node、socketcan_to_topic_node和topic_to_socketcan_node。要从同一个 CAN 设备接收和发送帧，需要使用socketcan_bridge_node来防止每个发送的消息都回显到接收主题。

4.2.1 socketcan_bridge_node

从 SocketCAN 设备接收帧并将这些帧发布到主题上，同时它侦听 CAN 消息并将这些消息发送到 SocketCAN。发送到 CAN 设备的帧不会作为接收消息发布。

• 订阅的话题名称：sent_messages(can_msgs/Frame)，此处收到的消息将被发送到 SocketCAN 设备。

• 发布的话题名称：received_messages (can_msgs/Frame)，在 SocketCAN 设备上接收到的帧在本主题中发布。

• ROS节点参数：~can_device (string, default: can0)，SocketCAN 设备的名称，默认情况下这些设备被命名为can0及以上。

4.2.2 socketcan_to_topic_node

将在 SocketCAN 设备上接收到的帧发布到topic。

• 发布的话题名称：received_messages (can_msgs/Frame)，在 SocketCAN 设备上接收到的帧在本主题中发布。

• ROS节点参数：~can_device (string, default: can0)，SocketCAN 设备的名称，默认情况下这些设备被命名为can0及以上。

4.2.3 topic_to_socketcan_node

将收到的topic的 CAN 消息发送到 SocketCAN 设备。

• 订阅的话题名称：sent_messages(can_msgs/Frame)，此处收到的消息将被发送到 SocketCAN 设备。

• ROS节点参数：~can_device (string, default: can0)，SocketCAN 设备的名称，默认情况下这些设备被命名为can0及以上。

4.3 基于ROS中转节点松耦合的CAN通信

4.3.1 松耦合需求的原因

对于一些成熟的包，或者比较复杂的包，要想把其中的topic转为CAN数据发出去，有两种修改方式：

• 1. 直接修改源码中相应topic的数据类型，或者在源码中新发布一个can_msgs/Frame数据类型，名称为sent_messages的topic
• 2. 新建一个中转节点，接收该复杂节点的topic（消息类型为该复杂节点的消息类型），将其转换为一个can_msgs/Frame数据类型，名称为sent_messages的topic，将反馈的can信息，通过指定的topic，反馈给该复杂节点。

第二种方式更为简单和快速，但会增加通信中转延时，ROS的节点通信是基于TCP/IP，对于本机节点通信而言，此延时大概在1ms以内（百兆网卡以上）。

4.3.2 中转节点

对于该中转节点，需要订阅两个topic，发布两个topic

• 订阅：

1. 复杂节点发布的topic
2. socketcan_bridge_node节点的topic：received_messages

• 发布：

1. 复杂节点订阅的topic
2. socketcan_bridge_node节点的topic：sent_messages

4.3.3 CAN数据帧

socketcan_bridge_node的话题的消息类型都为ROS内置消息类型can_msgs/Frame：

Header header
uint32 id
bool is_rtr
bool is_extended
bool is_error
uint8 dlc
uint8[8] data

需要填充的数据是

• id：CAN ID
• dlc：数据长度，一般为8
• is_extended：是否是拓展帧，一般为0
• uint8[8] data：can数据

4.3.4 使用

一般把该中转节点与socketcan_bridge_node放在一个launch文件中。

如果socketcan_bridge_node节点的名称冲突了，可以在launch文件中添加group，或者remap话题名称。

五、总结

推荐CANable + socketcan_bridge包实现ROS中的CAN通信！

Github：https://github.com/wanghuohuo0716/ros_can_driver

ROS socketcan_bridge包使用参考：
https://blog.csdn.net/zyf_to_utopia/article/details/116209605
https://blog.csdn.net/m0_58322903/article/details/121630592
https://blog.csdn.net/wangrunhuan/article/details/117962857

SocketCAN介绍：
https://en.wikipedia.org/wiki/SocketCAN