ESP32でCAN通信

ESP32は、CANコントローラを内蔵していて、外付けのCANトランシーバを利用すれば、CAN通信ができるようになります。

CAN？なにそれ？という方は、下の記事を参考にしてください。要するに自動車関係でよく使用されてるシリアル通信の規格です。

CANプロトコルを簡単に説明する | ぼくのマイコン開発のメモ (tekuteku-embedded.xyz)

ちなみにCANトランシーバは、シングルエンドの信号を差動信号として出力するICです。

FRDM-K64FにCANトランシーバをつける | ぼくのマイコン開発のメモ (tekuteku-embedded.xyz)

ESPのTWAIとはCANのこと

最初、ESPのリファレンスマニュアルでCANと検索しても引っかからないので、おかしいと思っていましたが、ESPでは、CAN通信のことをTWAI(two wire automoive interface)とうたっていました。認証絡みで、CANと明記できない理由があるんでしょうか。

とにかく、TWAI = CANのようです。

Arduino IDEで使えるライブラリ

Arduino用のCANライブラリは何種類かあるようですが、今回は上のものを使わせてもらいました。ライブラリの構成は下のとおりでした。

ちなみに、ArduinoのライブラリはDocumentフォルダの直下に作成されます。自分の環境では、ライブラリフォルダを下記に作成されてます。

C:\Users\<ユーザ名>\Documents\Arduino\libraries

基本的な使い方

ライブラリのexampleフォルダの中にサンプルコードがあります。

CANReceiver — 任意のCAN IDのパケットを受信し、１バイトずつモニタに表示する

CANReceiverCallback — CAN受信したら、割り込み処理をかけるサンプル（一方で、上のサンプルはポーリングで値を取得している）

CANSender —指定したIDのCANメッセージを送信する

どのサンプルもシンプルで簡単に理解できます。

初期化

サンプルの説明をします。

CAN.begin(500E3)

これが初期化。引数にボーレートを渡します。この例は500Mbps。１Mbpsとしたいときは、

CAN.begin(1000E3)

とかします。ちなみにEPS32に実装されているRTOSの都合上、50kbps以下には設定できません。戻り値がTrueなら初期化成功です。

実際に中では、

• TX, RXピンの割り当て
• ビットタイミングの設定
• CAN IDのフィルタ設定（指定した範囲のIDしか受信しない仕組みがある）
• 割り込み許可
• CANエラーフラグ、割り込みフラグのクリア

みたいなことをやっています。

受信（ポーリング）

CAN.parsePacket()

このメソッドでCAN受信用のメッセージバッファを確認して、受信データがなければ、0をかえし、受信があれば、そのデータサイズを返します。要するに受信メッセージのDLCが戻り値になります。内部的にはここで、受信データを配列に格納してます。

これをLoop関数内で呼べば、周期的にCAN信号を受信することができます。

CAN.packetExtended()

受信データが拡張フォーマットであれば、trueが戻り、標準フォーマットであれば、falseが戻ります。

CAN.packetRtr()

リモートフレームかデータフレームを確認するメソッドです。受信がリモートフレームであれば、trueが戻ります。

CAN.packetId()

受信データのCAN IDを戻します。

CAN.packetDlc()

受信データのDLCを戻します。

 while (CAN.available()) {
      Serial.print((char)CAN.read());
 }

read関数で、parsePacketで取得したデータ配列を1バイトずつゲットします。

受信（割り込み）

割り込み処理は以下のようにします。

CAN.onReceive(onReceive)

これで、onReceiveがコールバック関数として定義されます。

void onReceive(int packetSize) {
// 割り込み時の処理をここに書く
}

送信

メッセージの送信は簡単です。beginPaketで送信したCAN IDを設定して、writeメソッドで1バイトずつデータを定義した後で、endPacketを呼び、送信を実行します。

  CAN.beginPacket(0x12);
  CAN.write('h');
  CAN.write('e');
  CAN.write('l');
  CAN.write('l');
  CAN.write('o');
  CAN.endPacket();

複数バイトを一気に定義したい場合は、

  uint8_t temp[4];	
  *(uint32_t *)temp = count_32;	
  CAN.write(temp,sizeof(temp));	
  CAN.endPacket();	

とかします。

以上が、サンプルコードで使われているメソッドの説明ですが、それ以外にも必要と思われるメソッドが色々あったので、使い方を追記しときます。

CANのhigh/lowのピン設定

ライブラリはデフォルトで#4と#5ピンを使ってます(ESP32SJA100.h )

#define DEFAULT_CAN_RX_PIN GPIO_NUM_4
#define DEFAULT_CAN_TX_PIN GPIO_NUM_5

変更したい場合は、下のように直接、ESP32SJA100.ｈを編集するか。

#define DEFAULT_CAN_RX_PIN GPIO_NUM_26
#define DEFAULT_CAN_TX_PIN GPIO_NUM_25

それか、setPins関数を使います。

CAN.setPins(4,5)

CANのマスク設定

CANバス上にパケットが少ないなら、別に問題にならないですが、パケットがたくさんある場合、ESP32で使用しない（興味ない）パケットは無視したほうが、CPU負荷を温存できます。特に割り込みなどかけている場合は、すべての受信タイミングで割り込みがはいるので、プログラムが正常に動かなくなる場合もあります。

ESP32のCANコントローラではAcceptance Filterという機能があり、指定の範囲ID以外は、興味ないから受け付けないというような設定ができます。

上のようにACRとAMRというレジスタを設定することで、フィルター機能を有効化させます。

たとえば0x100と0x101だけ受信したい

0x100と0x101を2進数で表すと下の黄色の部分になります。LSBだけ0と1で値が違っています。

0x100と0x101のXNORは青色の部分です。各bitで値が一致していれば、1となります。なので、LSBのみ0です。

XNORを反転したものがMASKになります。これがAMRレジスタに設定する値です。

ACRには、0x100か0x101どちらでもいいので、設定します。ここでは0x100を設定したと想定しましょう。

すると上のブロック図の受信IDのところに0x101が来た場合

XNOR = 0b 111 1111 1110

下流側のORブロックは上の結果とMASKのORなので、

ORの結果 = 0b 111 1111 1111

結果、すべての値が1になり、受信してもいいってことになります。

受信IDのところに0x105(0b 001 0000 0101)がきたらどうでしょうか。

XNOR = 0b 111 1111 1010

ORの結果 = 0b 111 1111 1011

この結果は、3ビット目が0となり、受信拒否されます。

ライブラリにはfilterという関数があるので、これが上のようなフィルター設定をやってくれます。下がサンプルです。

  uint16_t RX_ID = 0x100;
  uint16_t RX_ID_2 = 0x101;

  uint16_t RX_XNOR = RX_ID ^ RX_ID_2;		
  while(!CAN.filter(RX_ID,~RX_XNOR))		
  {		
  }		

第一引数にCODE、第二引数にMASKをいれればオッケーです。

ビットタイミングの設定

CANバスにCANコントローラの動作周期が違うデバイスをぶら下げていたり、伝送経路が長くて、デバイス間で信号の遅延が発生したりすると、CANがうけとれないみたいな自体が発生します。この時は、ビットタイミングを調整します。

ライブラリのメソッドには、設定用のAPIが登録されていないので、ライブラリを直接編集します。

ESP32SJA1000.cpp内の69行目ぐらいから

//上省略
  modifyRegister(REG_CDR, 0x80, 0x80); // pelican mode
  modifyRegister(REG_BTR0, 0xc0, 0x0); // SJW = 1 
  modifyRegister(REG_BTR1, 0x70, 0x10); // TSEG2 = 2

  switch (baudRate) {
    case (long)1000E3:
	  modifyRegister(REG_BTR1, 0x0f, 0x04); //TSEG1 = 5
	  modifyRegister(REG_BTR0, 0x3f, 4); // 動作周波数 8MHz
	  break;
//下省略

設定方法はリファレンスマニュアルに載っています。マニアックな話なので、一応、この辺でいじれるんだぐらいにしときます。

テスト結果

0x101他のCANデバイスとつなげながら0x100を5ms周期で送信するテストを行いました。

下はCANbusに流れている全IDです。赤枠のパケットがESPが送信しているIDです。

この状態からお邪魔要素として、0x001~0x005までIDを0.5～1msの高周波で別のCANコントローラから送信します。

下が、アナライザの結果です。
バス負荷は95％までいっちゃっていますが、エラーフレームは0で特に問題はありません。

ESPからのパケットも確実に5msで送信されることが確認でき、途中で途絶えるみたいなこともありませんでした。

意外に使えるかもね。。。

TWAI　BANZAI🙌