Apollo 之 Canbus 解析

Canbus模块介绍

我们先看下什么是Canbus：控制器局域网 (Controller Area Network，简称CAN或者CAN bus) 是一种车用总线标准。被设计用于在不需要主机(Host)的情况下，允许网络上的节点相互通信。采用广播机制，并利用标识符来定义内容和消息的优先顺序，使得canbus的扩展性良好，同时不基于特殊类型(Host)的节点，增加了升级网络的便利性。
这里的Canbus模块其实可以称为Chassis模块，主要的作用是反馈车当前的状态（航向，角度，速度等信息），并且发送控制命令到车线控底盘，可以说Canbus模块是车和自动驾驶软件之间的桥梁。由于这个模块和"drivers/canbus"的联系紧密，因此也一起在这里介绍。
Canbus模块是车和自动驾驶软件之间的桥梁，通过canbus驱动(drivers/canbus)来实现将车身信息发送给Apollo上层软件，同时接收控制命令，发送给汽车线控底盘实现对汽车的控制。

那么canbus模块的输入是什么？输出是什么呢？

可以看到canbus模块：

输入 - 1. ControlCommand（控制命令）
输出 - 1. Chassis（汽车底盘信息）, 2. ChassisDetail（汽车底盘信息详细信息）

Canbus一方面接收Control模块发布的指令，然后将指令解析为CAN协议报文通过can总线传递给车上的各个控制单元；另一方面从can总线上获取数据并且将信息解析为底盘信息，然后把消息发布出去(反馈底盘信息)。

Canbus模块的目录结构如下：

接着我们来分析下Canbus模块的执行流程。

Canbus(主模块)

Canbus模块的主流程在文件"canbus_component.cc"中，Canbus模块为定时触发，每10ms执行一次，发布chassis信息，而ControlCommand则是每次读取到之后触发回调"OnControlCommand"，发送"control_command"到线控底盘。

bool CanbusComponent::Proc() {
  PublishChassis();
  if (FLAGS_enable_chassis_detail_pub) {
    PublishChassisDetail();
  }
  return true;
}

由于不同型号的车辆的canbus命令不一样，在"/vehicle"中适配了不同型号车辆底盘协议的canbus消息格式，所有的车都继承自Vehicle_controller基类，通过对Vehicle_controller的抽象来发送和读取canbus信息。

车辆工厂模式(VehicleFactory)

在vehicle中可以适配不同的车型，而每种车型都对应一个vehicle_controller，创建每种车辆的控制器(VehicleController)和消息管理(MessageManager)流程如下：

VehicleFactory类通过创建不同的类型AbstractVehicleFactory，每个车型自己的Factory在创建出对应的VehicleController和MessageManager。
用林肯来举例子就是： VehicleFactory创建LincolnVehicleFactory，之后通过CreateMessageManager和CreateVehicleController创建对应的控制器（LincolnController）和消息管理器（LincolnMessageManager）。
上述代码流程用到了设计模式的工厂模式，通过车辆工厂创造不同的车辆类型。

车辆控制器(LincolnController)

下面以林肯来介绍LincolnController，以及如何接收chassis信息，其它的车型可以以此类推。
可以看上面的整体流程图lincoln_controller.cc部分，显然，controller分为三部分init->start->stop，init过程是获取MessageManager的protocolData，即发送的消息协议数据类型，然后通过CanSender发送这些消息。如以int为协议来代表的是整数，以char为协议代表的字符。那这个protocolData就是我们以这个类型为协议来替代车辆行驶的具体操作。例如在modules/canbus/vehicle/brake_60.h这个Brake60类的操作就是刹车。
start之后启动一个看门狗，检查canbus消息格式是否正确，最后stop模块则是结束看门狗进程。

Canbus(驱动程序)

上层的canbus就介绍完成了，而canbus的发送(CanSender)和接收(CanReceiver)，还有消息管理(MessageManager)都是在"drivers/canbus"中实现的。

消息管理器(MessageManager)

MessageManager，顾名思义就是用于管理所有的msg，主要作用是解析和保存canbus数据。而具体的接收和发送则是在"CanReceiver"和"CanSender"中。使用前需要将所有用户自定义的ProtocolData初始化并将其分为send和receive类加入各自队列中，包含一个Parse接口，会逐一调用所有receive类ProtocolData对象的Parse接口，实现将接受到的CanFrame数据转化为自定义数据类型（例如0x6b的帧中数据为车辆加速度数据，将数据解析到自定义的ChassisDetail中的lateral_acceleration、longitudinal_acceleration、vertical_acceleration变量中），底层有一个unordered_map用于根据id搜索加入的ProtocolData对象，用于将send类对象提取出来供CanSender使用。
拿接收消息举例子，也就是说CanReceiver收到消息后，会调用MessageManager中的Parse去解析消息，消息的解析协议在"modules/canbus/vehicle/lincoln/protocol"中，每个消息把自己对应的信息塞到"chassis_detail"中完成了消息的接收。

消息接收(CanReceiver)

CanReceiver中的"Start"调用"RecvThreadFunc"实现消息的接收，这里会启动一个异步进程去完成接收。

template <typename SensorType>
::apollo::common::ErrorCode CanReceiver<SensorType>::Start() {
  if (is_init_ == false) {
    return ::apollo::common::ErrorCode::CANBUS_ERROR;
  }
  is_running_.exchange(true);

  // 启动异步接收消息
  async_result_ = cyber::Async(&CanReceiver<SensorType>::RecvThreadFunc, this);
  return ::apollo::common::ErrorCode::OK;
}

RecvThreadFunc通过"can_client_"接收消息，然后通过"MessageManager"去解析消息，在MessageManager中有讲到。

template <typename SensorType>
void CanReceiver<SensorType>::RecvThreadFunc() {

  ...
  while (IsRunning()) {
    std::vector<CanFrame> buf;
    int32_t frame_num = MAX_CAN_RECV_FRAME_LEN;

    // 1. can_client_接收canbus数据
    if (can_client_->Receive(&buf, &frame_num) !=
        ::apollo::common::ErrorCode::OK) {

      cyber::USleep(default_period);
      continue;
    }
    ...

    for (const auto &frame : buf) {
      uint8_t len = frame.len;
      uint32_t uid = frame.id;
      const uint8_t *data = frame.data;

      // 2. MessageManager解析canbus数据
      pt_manager_->Parse(uid, data, len);
      if (enable_log_) {
        ADEBUG << "recv_can_frame#" << frame.CanFrameString();
      }
    }
    cyber::Yield();
  }
  AINFO << "Can client receiver thread stopped.";
}

消息发送(CanSender)

消息发送对应的是在CanSender中的"Start"调用"PowerSendThreadFunc"，我们可以看具体实现:

template <typename SensorType>
common::ErrorCode CanSender<SensorType>::Start() {
  if (is_running_) {
    AERROR << "Cansender has already started.";
    return common::ErrorCode::CANBUS_ERROR;
  }
  is_running_ = true;

  // 启动线程发送消息
  thread_.reset(new std::thread([this] { PowerSendThreadFunc(); }));

  return common::ErrorCode::OK;
}

PowerSendThreadFunc再通过"can_client"发送消息：

std::vector<CanFrame> can_frames;
CanFrame can_frame = message.CanFrame();
can_frames.push_back(can_frame);

// 通过can_client发送消息
if (can_client_->SendSingleFrame(can_frames) != common::ErrorCode::OK) {
    AERROR << "Send msg failed:" << can_frame.CanFrameString();
}

canbus客户端(CanClient)

CanClient是canbus客户端，同时也是canbus的驱动程序，针对不同的canbus卡，对发送和接收进行封装，并且提供给消息发送和接收控制器使用。
拿"EsdCanClient"来举例子，"Send"函数发送can消息，调用的是第三方的硬件驱动canWrite，"Receive"函数接收can消息，调用的是第三方的硬件驱动canRead。其他的can卡可以参考上述的流程，至此整个canbus驱动就分析完成了。