ArduCAN-I/O

Die ArduCAN Familie

Die ArduCAN Familie besteht aus Modulen zum Anschluss an den CAN-Bus. Allen gemein ist, dass sie auf Basis eines Arduino nano und eines gewöhnlichen CAN-Transceivermoduls aufgebaut sind. Der Aufbau ist auch für Lötneulinge relativ einfach möglich, da nur wenige Bauteile einzulöten sind und keine SMD-Teile verwendet werden.

Derzeit besteht die Familie aus:

ArduCAN I/RArduCAN I/OArduCAN I/O für WeichenArduCAN Servo
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Wie funktioniert's?

Der „ArduCAN-I/O“ ist ein Decoder für den CAN-Bus auf Basis eines Arduino nano und verfügt über 16 frei konfigurierbare Ein-/Ausgänge. Die Ausgänge können über zwei Treiber-ICs (ULN2803) genug Strom aufbringen um Doppelspulenantriebe zu schalten. Alternativ können zwei 10-polige Steckleisten angeschlossen werden, um Sensoren, LEDs oder sonstige Rückmelder anzuschießen. Die Programmierung des ArduCAN kann komfortabel aus rocrail erfolgen. Dazu verwendet man einfach den Reiter „GC2“ des Menüpunktes „Programmieren → CBUS…“.


Konfiguration

Zur Konfiguration kann der in rocrail bereits bestehendene Programmierdialog des CAN-GC2 verwendet werden.


Inbetriebnahme

Der „ArduCAN-I/O“ wird an den CAN-Bus angeschlossen; entweder über D-Sub Stecker oder Standard-Netzwerkkabel, je nachdem welche Buchsen auf der Platine verbaut wurden. Der mit „Busende“ gekennzeichnete Jumper dient dazu den CAN-Bus zu terminieren. Dieser ist am Ende eines CAN-Bus Stranges zu setzen. Die u.g. Details zur Stromversorgung bitte ebenfalls beachten. Nachdem der „ArduCAN-I/O“ mit Strom versorgt ist, blinken die LEDs „RX“ und „TX“ des Arduinos für circa fünf Sekunden recht schnell. In dieser Zeit kann durch Drücken und Gedrückthalten des Arduinotasters ein Reset aller Einstellungen des Bausteines ausgelöst werden (Bitte erst Drücken, wenn die LEDs schon 4-5x geblinkt haben). Wenn der Reset abgeschlossen ist, leuchten die beiden LEDs „RX“ und „TX“ dauerhaft. Nun kann der Taster wieder losgelassen werden und der Baustein geht nach Neustart (Netztrennung) normal in Betrieb. Dies ist an der dauerhaft leuchtenden LED „TX“ zu erkennen. Wird währed des Betriebes der Taster des Arduinos kurz gedrückt, so wechselt der Baustein in den Modus zum Einlernen der Knoten-Nummer. Dies wird durch ein Blinken der LED „TX“ signalisiert und „rocrail“ zeigt den enstprechenden Dialog am Bildschirm an. Nach erfolgtem Absenden der neuen Knoten-Nummer durch die Steuerungssoftware (z.B. rocrail) erlischt die LED „TX“ wieder.

Signal-LEDBedeutung
„RX“ und „TX“ blinken schnell für circa 5 SekundenInitialisierung des Prozessors. Resetbefehl durch Drücken und Gedrückthalten des Tasters möglich. Taster erst drücken, wenn „RX“ und „TX“ schon 4-5x geblinkt haben.
„RX“ leuchtet dauerhaftNormaler Betriebsmodus
„TX“ blinktLerne Knotennummer (Setup)
„RX“ und „TX“ leuchten dauerhaftReset beendet → Taster loslassen und Modul vom CAN-Bus trennen (spannungsfrei machen) → Fertig
„RX“ und „TX“ blinken langsamProzessorfehler! Entweder Software nicht richtig eingespielt oder Probleme mit der Spannungsversorgung.


Aufbau

Der Decoder ist für den Eigenbau gedacht. Unbestückte Platinen oder programmierte Prozessoren können aber beim Verfasser (schumo99) angefragt werden. Ich helfe gerne!

Anschlüsse

- für die Ein-/Ausgänge

Die 16 Ein-/Ausgänge sind in zwei Bereiche (1-8 und 9-16) aufgeteilt. Für jeden Bereich kann frei entschieden werden, ob der Anschluss mittels

  • 10-poliger Steckerleiste (Belegung: +5V, GND, 8 Anschlüsse) oder
  • Treiber-IC (ULN2803) und Schraubklemmen (Pitch 3,5mm)

erfolgen soll. Bei Verwendung mit Treiber-IC können die Anschlüsse nur noch als Ausgang verwendet werden. Anders wäre es aber auch wenig sinnvoll ;).



- für den CAN-Bus

Neben den Anschlüssen für die Reflexlichtschranken muss der ArduCAN-IR auch an den CAN-Bus angeschlossen werden. Das kann entweder über D-Sub-Stecker oder über RJ45-Buchsen erfolgen, so dass normale Netzwerkkabel verwendet werden können. Auch ein Mischbetrieb ist möglich. Der Vorteil der Netzwerkkabel ist, dass sie in allen Längen günstig überall zu finden sind. Dem steht der Nachteil gegenüber, dass die Strombelastbarkeit deutlich geringer ist. Deshalb ist die Möglichkeit gegeben auf den ArduCAN die Spannung erneut einzuspeisen und dadurch die geringere Strombelastbarkeit der Kabel auszugleichen. Dies ist nicht auf jedem Modul nötig, kann aber nach eigenen Wünschen von Zeit zu Zeit vorgenommen werden.

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Ja nach gewünschter Konfiguration müssen auf der Unterseite der Platine die entsprechenden Lötjumper geschlossen werden. Welche Jumper bei welcher Kombination zu schließen sind, ist praktischerweise direkt auf der Platine aufgedruckt.

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Die Anschlussbelegung der D-Sub Stecker/Buchsen ist identisch zum bereits bei anderen CAN-Bus Komponenten verwendeten Standard (siehe Punkt Anschlusskabel).
Die RJ45-Steckverbindung ist wie folgt beschaltet:

PinBelegung in Version 1.xBelegung ab Version 2.0Kabelfarbe
1+V Versorgung+V Versorgungws/gn
2+V Versorgung+V Versorgunggn
3CAN LCAN Lws/or
4CAN HGNDbl
5+V Versorgung+V Versorgungws/bl
6GNDCAN Hor
7GNDGNDws/br
8GNDGNDbr

Die Beschaltung der RJ45-Buchse wurde ab Version 2.0 geändert, damit der CAN-Bus auf einem verdrillten Adernpaar läuft.

Stromversorgung

Die Stromversorgung erfolgt standardmäßig aus dem CAN-Bus. Der Jumper „Power“ bleibt standardmäßig offen. Dadurch wird die ganze Platine (mit Ausnahme der ULN-Treiber) mit dem Strom des CAN-Bus versorgt.
Folgende Möglichkeiten stehen zur Verfügung:

Power-JumperPOWER-INBedeutung/Verwendung
egalnichts angeschlosssenStandardbetriebsart. Der „ArduCAN I/O“ und alle Anschlüsse (mit Ausnahme der ULN-Treiber) werden über den CAN-Bus mit Strom versorgt.
GeschlossenCAN-Busspannung , direkt von der CAN-Bus-Schnittstelle entnommenUm Leitungsverluste des CAN-Bus auszugleichen, kann die Busspannung erneut eingespeist werden. Achtung: Keine andere Stromversorgung verwenden
OffenNetzteilDer „ArduCAN I/O“ und alle Anschlüsse werden über das angeschlossene Netzteil mit Strom versorgt. Die Ausgänge der Treiber-ICs (ULN2803) liefern die Spannung des Netzteils. (siehe auch *)
Offen + Lötjumper „+5VIN“ auf der Unterseite geschlossenNetzteil (5V)Nur mit I/O-Steckerleiste: Die gesamte Stromversorgung des ArduCAN und aller angeschlossenen Komponenten erfolgt durch das externe Netzteil.

* Der „ArduCAN I/O“ arbeitet intern mit 5V, welche auch über die I/O-Steckerleisten daran angeschlossenen Modulen zur Verfügung gestellt werden. Wenn hier größere Summenstrome benötigt werden, oder die CAN-Busspannung deutlich über 12V liegt, ist der interne Spannungswandler überlastet. Man merkt das daran, dass der Arduino sehr warm wird, oder es im Extremfall sogar kurze Aussetzer gibt. Dann muss die interne Spannung von 5V mittels eines DC/DC-Wandlers erzeugt werden. Dies ist auf der Platine bereits vorgesehen. Als Spannunswandler kann z.B. ein LM7805 verwendet werden. C1 und C2 (z.B. 100µF) und der 100nF Kondensator müssen dann auch bestückt werden. Alternativ kann auch ein komplettes step-down Reglermodul , welches pinkompatibel zum 7805 sein muss, benutzt werden. Die Kondensatoren sind dann nicht nötig, schaden aber auch nicht.


Zusammenbau/Teileliste

Fertig bestückte Decoder gibt es keine, jedoch kann ich Platinen und auch programmierte Prozessoren (nanos) abgeben. Für Fragen oder Hilfe stehe ich gerne im rocrailforum oder stummiforum zur Verfügung.
Beim Design der Platine wurde auf einfachen Aufbau geachtet. Daher sind keine SMD-Bauteile einzulöten. Stattdessen müssen hauptsächlich vorgefertigte Baugruppen über Buchsenleisten miteinander verbunden werden. Die auf der Platine vorgesehenen 4,7k Widerstände werden nicht bestückt und sind für zukünftige Erweiterungen gedacht.

AnzahlBauteilVerwendung
1xArduino Nano V3.0 5VMikroprozessor. Entsprechende “clones” sind auch möglich. Der darauf verbaute USB Chip ist irrelevant.
1xCAN-Bus Modul MCP2515 TJA1050CAN-Transceiver
2xBuchsenleiste 15-poligZum Aufstecken des Arduino nano
1xBuchsenleiste 7-poligZum Aufstecken des CAN-Transceivers
2xBuchsenleiste 2-poligZum Aufstecken des CAN-Transceivers
2xD-Sub Stecker/Buchse oder RJ45-BuchseZum Anschluss an den CAN-Bus
1xSteckerleiste 2-PinTerminierung des CAN-Busses
2xWiderstand 10kNur nötig, wenn der Chip des Arduinos ein 328P ist

Option I/O-Steckerleiste

2xSteckerleiste 10-poligI/O-Steckerleiste zum Anschluss von Rückmeldern, LEDs, …

Option mit Treiber-IC (für Weichen)

2xULN2803Treiber IC für 8 Ausgänge, um die Ausgänge mit höherer Strombelastbarkeit auszustatten
2xIC-Sockel 18-poligSockel für Treiber IC (z.B. GS 18)
1xPolyfuse 0,5ARückstellende Sicherung für Treiber IC (z.B. PFRA 050)
8xAKL 059-03Anschlussklemme 3,5mm

Ich habe bei “reichelt” einen Musterwarenkorb erstellt, der alle Teile bis auf den Arduino und den CAN-Transceiver enthält. Die Anzahl der Steckerleisten bzw. der Treiber-IC Teile muss noch angepasst werden (Ein Mischbetrieb ist auch möglich) und entweder die D-Sub-Buchsen oder die RJ45-Buchsen gelöscht werden.
Nein, ich bekomme da keine Provision und die Teile gibt's bestimmt auch woanders günstiger.
Um die volle Funktionalität des Dekoders zu erhalten muss der Arduino einen 328PB-Chip tragen. Der in Arduinos in der Regel verbaute 328P-Chip kann die Ports 1 und 2 nicht als Ausgang antreiben, kann aber mit der Einschränkung, dass diese beiden Ports nur als Eingänge funktionsfähig sind, trotzdem verwendet werden. Für beide Prozessoren gibt es die entsprechenden HEX-Files.

Aufbau

Wenn die Buchsenleisten nicht in der richtigen Länge zu bekommen sind, diese zuerst mit Säge/Feile auf die richtige Länge bringen (16 → 15-Pin bzw. 3 → 2-Pin). Dann einfach alle Bauteile einlöten und zum Schluss den programmierten Arduino und den CAN-Transceiver aufstecken. Der Arduino muss vorher mit der Software „ArduCAN_IO.hex“ programmiert werden. Die Fuses sind so zu setzen, dass der Reset-Pin als I/O-Pin aktiviert wird. Es empfiehlt sich einen Bootloader zu benutzen, da sonst keine weitere Programmierung des Arduinos (z.B. Updates) mehr möglich ist.
Achtung: Werden die Fuses falsch gesetzt ist es möglich, dass der Arduino irreparabel beschädigt ist!

Wer es sich nicht zutraut, biete ich gerne an seinen/ihren Arduino zu programmieren oder einen bereits entsprechend programmierten Mikroprozessorbaustein zur Verfügung zu stellen. Gleiches gilt für Platinen.
Einfach kurze PN an schumo99

Der Verfasser übernimmt keine Verantwortung für Funktionsfähigkeit oder etwaige Schäden, die durch die Nutzung der Schaltung entstehen. Der Aufbau erfolgt auf eigene Verantwortung.


Download

Gerberdateien und HEX-files können hier geladen werden: https://github.com/schumo99/ArduCAN-IO

Matthias (schumo99)


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