Альтернативная прошивка для китайских CANBUS адаптеров

В данной заметке предоставлена информация о таком типе устройств как CANBUS адаптер для андроид магнитол, на али такие устройства продаются под названиями "canbus box", "canbus decoder" и тому подобные вариации названий, я же далее в заметке буду называть такие устройства CAN адаптером или просто адаптером.
По большей части материалы из заметки это пересказ из моего блога на drive2.ru, но надеюсь эта информация может быть полезна всем тем кто хотел бы внедрить себе в автомобиль CAN адаптер или изменить логику его работы.
Внешне CAN адаптер выглядит, как маленькая коробочка размером со спичечный коробок с одним разъемом на 16 или 20 выводов. Большинство CAN адаптеров на ali продается уже с разъемами под штатную проводку конкретной модели автомобиля, а для этого уже нужны минимальные знания в электрике и схемы электропроводки автомобиля.

Если совсем кратко, то CAN адаптер предназначен для облегчения интеграции андроид магнитолы в автомобиль, он выделяет из шины MS CAN автомобиля цифровые сигналы и передает их в андроид-магнитолу. При отсутсвии CAN адаптера необходимо искать самостоятельно в штатной проводке нужные аналоговые сигналы.

Основные функции CAN адаптера это формирование четырех выходных сигналов:
— "Зажигание"(IGN) или "Аккумулятор"(ACC), уровнем 12 Вольт, для включения андроид-магнитолы
— "Подсветка"(ILLUM), уровнем 12 Вольт, для изменения подсветки в андроид-магнитоле
— "Парковочный тормоз"(PARK), уровнем GND, для информирования андроид-магнитолы о нахождении автомобиля в состоянии поездки/парковки.
— "Задняя передача"(REAR), уровнем 12 Вольт, для переключения андроид-магнитолы на камеру заднего вида и включения питания для камеры заднего вида.

Дополнительные функции CAN адаптера это отображение в андроид магнитоле состояний внутренних узлов автомобиля и управление некоторыми из них через информационную линию RX/TX(uart):
— отображение состояния парковочных датчиков
— отображение положения руля в виде динамической разметки при заднем ходе
— отображение состояния открытых дверей
— отображение состояния не пристегнутых пассажиров и водителя
— установка времени в автомобиле
— отображение режима климат контроля и управление им;
— трансляция нажатий кнопок на руле в андроид-магнитолу
— отображение уровня топлива
— доступ к трип-компьютеру
— управление штатным усилителем

Теперь подробнее о выходных сигналах формируемых CAN адаптером. Для любой андроид-магнитолы кроме питания, нужен как минимум еще один дополнительный сигнал — это сигнал "Зажигание"(IGN). Сигнал зажигания(IGN) необходим для андроид-магнитолы, чтобы магнитола включалась или выходила из спящего режима при запуске автомобиля и выключалась или засыпала при глушении автомобиля.
Сейчас наверное в большинстве андроид-магнитол есть спящий режим, с ним андроид-магнитола готова к работе уже через пару секунд после запуска автомобиля, иначе при каждом запуске автомобиля андроид в магнитоле будет загружаться несколько минут. Но у спящего режима магнитолы есть один минус — это потребление тока порядка 10-20мА в спящем режиме, и зимой или при малых пробегах это может быть критично.
Так например в моей андроид-магнитоле, купленной в 2019 году не было спящего режима, через несколько месяцев после покупки, производитель с обновлением прошивки в андроид-магнитоле добавил функцию спящего режима. Помня о потреблении магнитолы в спящем режиме, я на зиму отключаю спящий режим в магнитоле, а по приходу тепла снова включаю спящий режим, отключение/включение спящего режима в моей магнитоле занимает пару минут.

Необязательный сигнал "Подсветка"(ILLUM) используется для подсветки кнопок андроид-магнитолы или для уменьшения яркости экран магнитолы ночью и увеличения яркости экрана днем.

Необязательный сигнал "Задняя передача"(REAR) используется для переключения экрана магнитолы на камеру и подключения питания к камере заднего вида, в противном случае придется тянуть от задних фонарей, это во первых неудобно, а во вторых на некоторых машинах, с импульсным контролем сгоревшей лампочки, такое питание для камеры будет создавать помехи в картинке с камеры.

Необязательный сигнал "Парковочный тормоз"(PARK) используется для разграничения некоторой функциональности в движении и на парковке, например для запрета просмотра видео в движении.

Часть андроид магнитол для конкретных моделей автомобилей продается уже с CAN адаптером и со всей необходимой проводкой и разъемами, что конечно же очень удобно. Моя же андроид-магнитола продавалась без CAN адаптера, но этот недостаток компенсировался стоимостью магнитолы в 50$. Впрочем для своего автомобиля Freelander2, я не смог найти CAN адаптер ни пару лет назад ни сейчас. Но с помощью самодельного CAN адаптера я смог сделать отображение датчиков штатного парктроника на андроид магнитоле, об этом подробне в заметке о подключении штатных парктроников к андроид магнитоле. Благодаря этой заметке несколько человек смогли сделать отображение парктроников в своих автомобилях Freelander2, в том числе и в рестайловом Freelander2.

Собственно после этой заметки началась и эта история, когда в прошлом году коллега приобрел на али андроид-магнитолу для своего xc90, в комплекте с магнитолой был CAN адаптер, но в его работе было обнаружено несколько проблем:
— не работало переключение треков в проигрывателе по нажатию кнопок на руле
— не было отображения парктроников
— не было отображения положения руля
Открыв этот CAN адаптер и увидев в на плате процессор GD32F103 я легкомысленно сказал коллеге, что можно исправить все недочеты данного адаптера, написав под него свою программу, т.к. на этот процессор есть в свободном доступе документация и к тому же он является клоном STM32F103 и поэтому для него можно использовать все средства разработки доступные для микропроцессоров STM32. Но на тот момент времени заниматься этим не было совсем.

Прошла осень, зима, и затем весна, коллега периодически спрашивал, когда уже будем обновлять прошивку в адаптере, но времени все так же не было этим заниматься. Но по наступлению лета, за счет доставки обедов на работу, появилось свободное время, которое раньше тратилось на обеденные поездки, благодаря этому за несколько дней с помощью мультиметра плата адаптера была исследована и в результате нарисована схема адаптера OD-VOLVO-02.

В целом на схеме нет ничего лишнего, функционал схемы совпадает с общим описанием CAN адаптера, это 4 выходных сигнала(IGN, ILLUM, BRAKE, REAR) и последовательный порт(RX/TX) для информационной связи с андроид-магнитолой. Обозначения и номиналы элементов на схеме совпадают с надписями печатной плате. Для программирования микроконтроллера через интерфейс SWDIO/SWCLK на плате есть специальный внутренний разъем CON2. Для обновления прошивки можно использовать любой SWDIO/SWCLK программатор, я перепрошивал микроконтроллер на плате с помощью китайского ST-LinkV2 с али, и программы openocd.
Распиновка сигналов на внешнем разъеме CAN адаптера OD-VOLVO-02 точно совпала, с найденной в сети распиновкой других китайских CAN адаптеров на 16 выводов, поэтому можно предположить что различные китайские производители CAN адаптеров делаю физически совместимые адаптеры, что в дальнейшем потвердилось.

По готовой схеме устройства написать прошивку уже было только вопросом времени. Процесс написания прошивки был итеративным и чередовался с тестами на автомобиле во время обеденных перерывов. На урале это лето выдалось теплым и было приятно провести немного времени на улице с автомобилем — немного переключиться на другое занятие от основной работы.
Помимо устранения недостатков в оригинальной прошивке, коллега попросил добавить дополнительный функционал:
— задержку снятия питания с камеры, при переключении из R в D
— управление уровнем подсветки экрана андроид-магнитолы.
В последствии этот функционал был реализован и сделан настраиваемым.
Для удобства прошивки и отладки CAN адаптера на автомобиле была сделана проводка для подключения адаптера в разъем OBD2 автомобиля. Через OBD2 разъем CAN адаптер получает питание и доступ к шине MS CAN, линия RX/TX адаптера выведена на переходник usb2com. К переходнику usb2com уже можно подключить ноутбук или телефон с андроидом для контроля работы адаптера. Если необходимо было проверить функционал CAN адаптера, то адаптер подключался к магнитоле, если надо было прошить, наладить или настроить адаптер, то адаптер подключался к разъему OBD2 автомобиля.

Для отладки и возможности настройки в CAN адаптере был реализован отладочный интерфейс через информационную линию RX/TX. Нормально через линию RX/TX передаются данные о состоянии автомобиля в андроид-магнитолу, но подключившись к линии RX/TX ноутбуком или андроид телефоном можно переключить адаптер в режим наладки и тогда через линию RX/TX будет доступен простой текстовый отладочный интерфейс. С помощью отладочного интерфейса можно контролировать правильность функционирования адаптера или вносить изменения в его конфигурацию. Изменение конфигурации работы адаптера и переключение в отладочный режим происходит, при нажатии соответствующих клавиш на клавиатуре:
— OOOOOOOOOOOOO переключение в режим наладки(необходимо отправить минимум 10 символов за 1 секунду)
— o переключение в штатный режим работы
— b выбор эмулируемого протокола из списка Raise VW(PQ), Raise VW(MQB), Oudi BMW(Nbt Evo, HiWorld VW(MQB)
— c выбор автомобиля из списка FL2 2007MY, FL2 2013MY, XC90 2007MY
— I увеличение порога уровня подсветки
— i уменьшение порога уровня подсветки
— D увеличение задержки выключения камеры
— d уменьшение задержки выключения камеры
— m выбор активного CAN сообщения
— s сохранение конфигурации

На следующем скриншоте показан отладочный интерфейс CAN адаптера

Т.к. данные постоянно меняются и чтобы избежать эффекта текста бегущего по экрану, для работы с отладочным интерфейсом нужна программа эмулятор терминала, для windows подойдет putty или hyperterminal.
В разделе Configuration отображаются настройки CAN адаптера:
— Car модель автомобиля
— Vin VIN автомобиля(отображается только в FL2)
— CanBox эмулируемый canbus протокол
— Illum уровень подсветки(в процентах) в салоне при котором формируется выход Illum
— Rear Delay задержка(в милисекундах) на отлючение сигнала REAR
В разделе State отображается текущее состояние CAN адаптера и автомобиля:
— Acc, Ign, Selector, Wheel — состояние положения ключа, зажигания, селектора АКПП у положения руля(не отображается в FL2)
— R — состояние выхода REAR
— Illum, ParkLights, NearLights — уровень подсветки в салоне и состояние габаритных огней и ближнего света
— Can, Msgs, Irqs — отладочные счетчики CAN сообщений
— CanX/Y — текущее состояние сообщения CanY определенным ID из списка Y со всеми ID

Адаптер извлекает из шины MS CAN данные в режиме прослушки, не посылая никаких запросов в электронные блоки автомобиля, поэтому информацию которою он может извлечь из шины CAN зависит от автомобиля, так в Freelander2 в шине MS CAN не передается информация о положении руля и нажатия кнопок, а в шине MS CAN автомобиля XC90 не передается VIN код автомобиля.

При поиске и расшифровке CAN данных в автомобиле использовалась техника, когда в автомобиле записываются все CAN сообщения, при одновременном создании определенного шаблона в данных, а затем в записанных CAN сообщениях, с помощью программы отображающей данные в виде графиков, происходит поиск нужного шаблона и идентификация данных. Под шаблоном в данных подразумевается изменение состояния узлов автомобиля во времени, например, пять раз открыли и закрыли дверь водителя, затем 4 раза открыли и закрыли дверь пассажира и т.д. Запись конкретного шаблона с данными в отдельные файлы облегчает последующий анализ и поиск.
Такой анализ я производил с помощью программы plot, о которой уже ранее упоминал в заметке о расшифровке данных в CAN шине. С времени опубликования этой заметки в программу plot была добавлена поддержка формата файлов log(can-uitils) и trc(canhacker), а также группового отображения(все 8 байт CAN сообщения) сообщения на графиках. С помощью группового отображения можно бысто проанализировать данные в сообщениях с конкретным CAN ID, а уже затем без группового отображения можно более точно попытаться интерпретировать данные из каждого байта CAN сообщения применяя различные маски и коэффициенты.

Ниже, для понимания сложности процесса поиска данных, приведены пара скриншотов приложения plot с данными из MS CAN шины автомобиля XC90. Имея терпение и фантазию несложно обнаружить нужные данные во всем потоке CAN сообщений.
На первом скриншоте виден шаблон(серый цвет) заданный при записи: 3 коротких нажатия на кнопку PREV, пауза, 3 коротких нажатия на кнопку PREV, пауза, 3 длинных нажатия на кнопку PREV.

На втором скриншоте виден шаблон(зеленый и бирюзовый цвета) заданный при записи: 3 быстрых изменения уровня подсветки, пауза, 3 быстрых изменения уровня подсветки, пауза, 3 медленных изменения уровня подсветки.

В процессе расшифровки CAN данных для XC90 я попытался найти в сети готовые результаты по расшифровке CAN сообщений в XC90 и нашел интересную информацию в заметке о самодельном CAN адaптере для XC90 пользователя Olegelm о том, что в автомобилях Volvo каждый электронный блок имеет уникальный идентификатор и он разный для всех машин одной модели. Это было задумано чтобы модули из одного автомобиля нельзя было поставить в другой автомобиль, и тем самым уменьшить воровство автомобилей и автодеталей.
Поэтому получается информация по расшифрованным данным из автомобиля XC90 коллеги скорее всего не подойдет для другого экземпляра XC90. Для другого экземпляра XC90 можно будет использовать только информацию по расположению данных внутри 8 байт CAN сообщения, а сам идентификатор нужно будет подобрать самостоятельно.
Может быть из-за уникальности адресов штатная прошивка CAN адаптера XC90 и имела проблемы, т.к. китайцы не смогли сделать универсальную прошивку подходящую для всех XC90. Я не смог найти информацию по какому алгоритму происходит присвоение идентификаторов электронных блоков в автомобилях марки Volvo, можно предположить что по VINу или дате производства. Может быть есть специалисты по Volvo которые смогут это прокомментировать.

В прошивке эмулируются 4 различных протокола для взаимодействия с андроид-магнитолой:
— Raise VW(PQ)
— Raise VW(MQB)
— Oudi BMW(Nbt Evo
— HiWorld VW(MQB)
При выборе типа подключенного адаптера в андроид магнитоле предлагается список из десятка различных производителей адаптеров, на али чаще всего встречающиеся адаптеры от Raise и HiWorld. Наибольший функционал по отображению узлов автомобиля в андроид магнитоле у марки Volkswagen и адаптеров Raise и HiWorld, поэтому эти протоколы были выбраны для эмуляции.

Но китайцы это новые индусы, поддержка адаптеров в магнитоле у них местами кривая, да и не хочется ограничиваться тем функционалом что есть в магнитоле, поэтому в своем автомобиле я постепенно отключаю эмуляцию CAN адаптера в плате usb2most и делаю отрисовку нужных мне вещей через свое приложение.

Помимо вышесказанного коллега ездил на автомобиле, тестировал работу CAN адаптера и выявлял замечания по его работе, для решения этих замечаний мне нужно было время и сам адаптер, но также и коллеге нужен был адаптер, получалось так, что адаптер в одно и тоже время нужен был и мне и ему. Покупать такой же второй CAN адаптер VOLVO-OD-O2 смысла не было, но у меня был адаптер для марки VW, который я приобрел чуть позднее покупки своей магнитолы, ради удовлетворения любопытства, что у него внутри. Внутри у него оказался процессор с надписью PocketLink, тогда в 2019, я не смог перепрошить этот адаптер, т.к. до конца не понимал, что это за процессор, да сейчас надпись на чипе PocketLink не даст информации о том что находится внутри этого чипа.

Видимо потратив чуть больше времени чем ранее мне удалось понять, что что внутри находится процессор NUC131, и для него свободно доступен BSP на гитхабе. Далее опять же с помощью мультиметра была проанализирована плата и нарисована схема в KiCAD этого адаптера. Китайцы сэкономили на шелкографии поэтому обозначения на схеме сделаны произвольными, но номиналы совпадают. По схеме с помощью примеров из BSP была добавлена поддержка этой платы в прошивке. Прошивка стала поддерживать уже две платы и можно было спокойно меняться адаптером с коллегой при очередном обновлении тестовой прошивки.
Схема адаптера VW_NC03 немного попроще OD-VOLVO-02, но основной функционал тот же: 4-е выходных сигнала и последовательный порт.

В дальнейшем во время экспериментов плату из CAN адаптера VW_NC03 я окирпичил — больше не смог перепрошить, поэтому на али был заказан еще один адаптер VW_NC03, но внутри него уже оказалась плата VW_NCD01 датируемая 2021 годом, а плата VW_NC03 была с датой 2017 года. Анализ с помощью мультиметра показал, что эта плата по схемотехнике почти полностью совместима с VW_NC03, но процессор в ней уже другой. Отладка через openocd показала, что процессор внутри был явно Nuvoton, имел схожие с NUC131 идентификаторы, и как оказалось для него подходит прошивка для платы VW_NC03, поэтому отдельной схемы или прошивки я не стал для него создавать. Но формально можно сказать, что прошивка поддерживает 3 различных адаптера.

В целом китайские процессоры в китайских адаптерах оказались не хуже и не лучше тех же STM32, внутри у них такое же армовское ядро cortex-m как и в STM32, поэтому могу рекомендовать такие адаптеры для каких-либо автомобильных поделок. Самостоятельная сборка подобного устройства на рассыпных элементах или из нескольких платок получится не дешевле, а тут готовое устройство c 4 программируемыми выходами и в корпусе.

Кто захочет приобрести на али такие адаптеры, то адаптер VW_NC03 можно найти по словам canbus box volkswagen, и далее выбирать адаптер с надписью HW:VW-NC-003. О обычно у продавца можно приобрести либо только адаптер или комплект из адаптера с проводкой, стоимость адаптера начинается от 7$.
По словам "volvo xc90 canbus" или "OD VOLVO 02" на али можно найти CAN адаптер для Volvo также с проводкой или без.
А комплект проводки от XC90 подходит по разъемам для Freelander2, поэтому владельцы Freelander2 в комплектации с шиной MOST смогут использовать такую проводку при установке андроид-магнитол в своих автомобилях. С разъемами из этой проводки можно акуратно подключиться в штатную проводку Freelander2 "разъем в разъем", не разрушая штатную проводку. На сером разъеме есть AUX и сигнал для усилителя FM радио, который многие используют вместо сигнала IGN. На зеленом разъеме есть шина MS CAN для подключения CAN адаптера и сигнал с резистивного делителя кнопок руля.

Исходный текст прошивки и готовые файлы для перепрошивки адаптеров доступны на гитхабе: github.com/smartgauges/canbox. Для перепрошивки адаптера нужен ST-Link V2 и программа openocd, я использовал версию с гитхаба: github.com/OpenNuvoton/OpenOCD-Nuvoton.
Для сборки прошивки использовался arm-none-eabi-gcc из состава ubuntu, перепрошивка адаптера осуществляется командами make flash_volvo_od2 и make flash_vw_nc03 для адаптеров OD-VOLVO-02 и VW_NC03 соответственно.

Если кто-то дойдет до стадии прошивки, я подготовил виртуальную машину с линуксом со всем необходимым инструментарием для сборки и прошивки, машина доступна по ссылке: drive.google.com/file/d/1…kctj8inW/view?usp=sharing

Данные пользователя в виртуальной машине
Login:user
Password:user

Краткая подсказка по командам в линуксе:
mc — файловый менеджер
cd canbox — переход в каталог с исходниками canbox
git pull — получить обновления исходников canbox с гитхаба
make clean — очистить текущую сборку прошивки
make — собрать новую сборку прошивки
make flash_vw_nc03 — прошить прошивку в плату WV-NC-003
На скриншоте пример как выглядит процесс прошивки

По итогу достаточного длинного изложения:

1) Коллега работой адаптера доволен, но уже закидывает вопросики про чип двигателя )
2) Прошивка поддерживает 2(3) CAN адаптера.
3) Потребление адаптера OD-VOLVO-02 в спящем режиме 4мА(с штатной прошивкой 20мА)
4) Потребление адаптера VW_NC03 в спящем режиме 1мА(с штатной прошивкой 1мА)
5) Прошивка поддерживает 2(3) автомобиля(рестайловый Frelander2 — с точки зрения шины CAN это другой автомобиль)
6) Прошивка поддерживает 4 протокола для связи с андроид-магнитолой

PS
Спасибо kostya-sha за наводку на проект с исходниками андроид-магнитолы, в нем гораздо проще посмотреть реализацию протоколов различных canbox-производителей,
например протокол Raise VW(MQB): github.com/runmousefly/Wo…n_Golf7_Protocol.java#L23

PSPS
Интересные ссылки по теме CAN для Volvo:
1) Описание протокола диагностического ПО(VIDA) hackingvolvo.blogspot.com/2012/12/success.html
2) Реализация устройства на основе диагностических запросов к блокам: github.com/vtl/volvo-ddd
3) Реализация устройства на основе прослушки данных: github.com/vtl/volvo-kenwood