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CAN 통신

그린텍그린텍 시스템시스템개발개발 22과과박박 영영 진진

www.gts2000.co.kr Gteentech System co., ltd.2

• 목차

1. CAN 통신의 기본원리

2. CAN 통신- Physical Layer

3. CAN 통신- Data Link

4. CAN 통신- Application Layer

5. CAN 통신 응용 예

6. 요약



차량 네트워크의 필요성

- 갈수록 더 많은 전자 장치들이 차량에서 실행됨

- 이것은 더욱 적은 연료 소비, 배기가스, 그리고 편하고 안전한 것을 필요로 함


-제어시스템과 이들의 센서 사이에는 정보교환이 필요하지만,

재래식 방법의 Point-to-Point 배선으로는 원료비 생산시간 신뢰성과

관련한 문제들이 증가함



- 이러한 특수 요건들을 충족시키기 위하여 CAN 통신이 개발됨(시리얼 버스 시스템으로 제어 시스템과 연결하고 차량에서 사용하기 때문에신뢰성과 관련된 특수 요건들이 충족됨)



CAN 통신개요

- CAN: Controller Area Network- 여러 가지 ECU (Electronic Control Unit) 들을 병렬로 연결- 우선순위대로 처리하는 방식- 여러 가지 장치를 단지 2개의 선으로 컨트롤- 현재의 자동차의 경우 다음의 여러 가지 기능들이 요구되며 CAN 통신은

이를 가능하게 함

예) 에어백, ABS 자동문 잠김 등의 자동차에 트렁크나 조수석 쪽에 문이 살짝 열린경우 핸드 브레이크를 걸어 논 상태의 경우 그거에 대해 감지하지 못할 경우위험적 요소가 있다 하지만 여러 가지기능 들이 상호 정보들을 공유해 차문이열려져 있을 경우 경보를 해준다던지. 속도가 올라가 어느 정도의 속도에 이르면차 문이 저절로 잠긴다던지 하는 이런 오토 락 기능 등이다. 이처럼 각각의ECU간의 정보교류로 인해 우리는 좀 더 안전하고 편안하게 그리고 일대일의 기기조작만이 아닌 연쇄적인 조작이 가능하다.



CAN 통신 연혁

1986년 자동차 내의 서로 다른 세 개의 전자장치 (ECU-Electronic Control Unit) 간의 통신을 위한 통신 장치 개발을 자동차 업체인 벤츠의 요구에의하여 자동차 부품 업체인 독일의 보쉬에 의해 최초로 개발되었다. 초기에는 UART 방식을 고려하였으나 일대일 (Point To Point) 통신방식이기에 서로 다른 세 개의 ECU 간의 통신 방식으로는 적합하지 않아다중통신 (Multi Master Communication) 방식이 필요하게 되어 CAN이탄생. 그후 최초의 집적화된 CAN 부품은 1987년 인텔에 의해 생산되어졌다.



CAN Version 변천

- ver 1.0 : 1985

- ver 1.1 : 1987- ver 1.2 : 1990- ver 2.0 A&B : 1991

ver1.0, 1.1, 1.2는 안정화 및 보편적인 전자 부품의 사용을 가능케 하기위해 변한 것이며 ver2.0부터는 A와 B로 구분되어져 A는 기존과동일하지만, B는 확장 ID를 추가함으로 보다 많은 종류(최대2036->500만개) 의 데이터를 사용할 수 있게 하였다.



CAN이용 반도체 제조사들

- Cygnal : 8051 계열의 Controller

- Fujitsu : Microcontroller - Hynix : ARM720T Core의 Processor - Infineon : Stand-alone controller, Microcontrollers, Transceiver - Intel : Stand-alone controller, Microcontrollers - Philips : Stand-alone controller, Microcontrollers, Transceiver - 기타 취급하는 반도체 회사:

Atmel, Bosch, CiA, Dallas, Hitachi, Inicore, Microchips, Mishibishi,Motorola, NEC, NI, STM, TI 등이 있음



CAN의 장점 및 특징

- CAN 프로토콜은 Multi Master 통신을 한다. 통신버스를 공유하고 있는 CAN컨트롤러들은모두가 Master역할을 하여 언제든지 버스를 사용하고 싶을때사용할수 있다.

- 노이즈에 매우 강하다. 레벨은 다르지만 RS485와 비슷하게 twist pair 2선을 사용하여전기적 Differential 통신을 하여 전기적인 노이즈에 매우 강하다

- 표준 프로토콜이므로 시장성이 뛰어나다. 이로 인해 많은 업체들이 경쟁적으로 CAN칩을 제작하고 있으며,비용 또한 비교적 저렴하다. CAN 프로토콜은 호스트 CPU에내장된 CAN 컨트롤러 칩이나, 호스트 CPU에 장착된 CAN주변장치에서 실행된다.

- 통신속도가 빠르다. -최대 1 Mbps까지 사용할 수 있다. - 먼 거리를 통신할 수 있다. -최대 1000 m 까지도 40 kbps로 통신할 수 있다.



CAN의 장점 및 특징 (계속)

- 하드웨어적인 오류보정이 있다.

- 하드웨어적으로 설정된 ID만을 골라 수신 받을 수 있다. CAN에는 수신필터가 있어 필터를 어떻게 설정하느냐에 따라정해진 ID, 특정 그룹 또는 전체 수신을 할 수 있다.

- 실시간 메시지 통신을 할 수 있다.한번에 8개의 데이터를 전송하는 HW 패킷을 제공한다. 보통 RS232/RS485 통신에서는 패킷 통신을 위해 사용자가 일일이 패킷 형식을 만들어 주고수신 받을 때도 그런 해석이 필요하지만 CAN은 8바이트 데이터를 담는HW 패킷 통신을 기본으로 한다. 따라서 사용자는 데이터 버퍼에 데이터를 쓰고전송만 하면 그 외 모든 처리는 HW가 알아서 한다. 분산제어 분야 적용이 용이하다.

- 우선순위가 있다.

-사용되는 전선의 양을 획기적으로 줄일 수 있다.

- PLUG & PLAY 를 제공한다.



CAN 버스 연결



OSI 계층구조로 본 CAN 구조



2. CAN 통신 – Physical Layer

CAN Physical Layer

– 통신 선로의 매체, 전송 전압 level, bit 표현 방식 등을 규정

– 전송 속도 규정


CAN 버스 Connector (CiA-DS 102-1)



케이블과 커넥터

- CAN 은 물리적 매체들을 지정하지는 않지만 특정 커넥터와

와이어들을 권장함

- 와이어

1) 차폐된 꼬임 전선을 권장

2) 선택적 파워가 필요한 경우, 추가적인 한쌍의 꼬임 전선 (한 쌍의 “차폐된꼬임 전선”)이 필요함

3) 응용 주문형

- 커넥터

1) 9-pin Dsub

2) 5-pin mini style

3) 개방형 스타일

4) 응용 주문형 (예. 전화 잭)



– 통신 방법의 개요1) 각각의 메시지는 자신의 고유 ID를 갖는다

(CAN 2.0A = 11bit, CAN 2.0B = 29bit)2) 모든 node는 bus idle 상태에서 데이터 전송가능

(multi master)3) Message 충돌의 중재는 ID를 통하여 우선 순위 결정4) 수신 node는 message ID를 check 하여 무시 또는 저장5) 수신 node는 message 수신 후 acknowledge 신호를 발생6) Message format error를 판단하면 bus에 error 신호를 발생

– Message frame의 구성1) Frame: 하나의 message를 이루는 field 또는 bit들의 집합2) Data frame : 일반적으로 전송되는 데이터 message3) Remote frame : 특정한 ID의 data frame 전송을 요청4) Error frame : Error를 판단한 node가 전송하는 message5) Overload frame : Data frame 사이에 delay가 필요한 경우 전송하는 frame

CAN Data 전송의 개요

3. CAN 통신 – Data Link Layer


Data Frame



- CAN 2.0 Part B – 29bit extended arbitration field

SOF

11 bit IDENTIFIERRTR

IDE

r0 DLC

Arbitration Field

- CAN 2.0 Part A – 11bit arbitration field

SOF

11 bit IDENTIFIERSRR

IDE

r1 DLC18 bit IDENTIFIER

RTR

r0

Arbitration Field

Arbitration Field 구조



- Message 전송이 동시에일어나는 경우 ID를통하여 해결

- Dominant Bit ; bus에우선하여 나타나는 bit (logic ‘0’)

- Recessive Bit ; Dominant bit에 대하여무시될 수 있는 bit (logic ‘1’)

- Dominant bit가Recessive bit에우선하며, 따라서 ID가낮은 메시지가 우선

Arbitration 방법 (통신 중재)



Remote Frame

- Receiver가 transmitter에 data를 요청할 때 출력하는 frame

- Arbitration field에는 transmitter의 ID가 포함되며 data field가 없는 것이 특징



Error Frame

- Error 상황을 알리기 위한 frame

- Error를 감지한 node가 6 dominant bit를 출력하면

다른 node는 이에 반응 (stuff error)하여 6 dominant bit를 출력

- 6~12 dominant bits (Error Flag) + 8 recessive bits (Error delimiter)로 구성

- Superposition(중첩) : Node들이 출력하는 error flag의 순서에 따라서 중첩될 수 있음

- Error Delimiter : Error frame의 종료. 8 recessive bit로 구성



Overload Frame

- 다음의 상황에서 overload frame을 전송 (bus 상태를 안정화하기 위해서)

1) Receiver의 내부 조건에 의해서 다음 data/remote frame 사이에 delay가 필요한 경우

2) Frame 사이의 intermission의 1,2 bit가 dominant bit인 경우

3) Error delimiter 또는 overload delimiter의 마지막 bit가 dominant bit인 경우

- 6 dominant bits (Overload Flag) + 8 recessive bits (Overload delimiter)로 구성



Bit Stuffing

- 전송할 내용이 같은 bit가 5개 연속이면 6번째 bit는 반대의 bit를 끼워넣음

1) 비동기식 통신이므로 각 bit의 check 시점이 달라지는 오차를 줄이기 위한 방법

2) Transmitter에 의해 만들어지며, receiver는 이를 빼고 해석

3) Bit Stuff Area : SOF, Arbitration Field, Control field, Data field, CRC field



- Off-the-shelf plug-and-play 기능으로 인해, 서로 다른 공급자들의

모듈들을 쉽게 사용1) 지정된 Pre-assigned ID numbers2) 지정된 Device profiles3) 지정된 Data types4) 지정된 커넥터와 파워 소스

- Network Management 는 노드와 수명 보호 기능의 구성을 고려.- Point-to-point 커뮤니케이션- 구성과 분석 도구들 사용 가능- 동기화된 데이터 전송

4. CAN 통신 – Application Layer

Application Layer 프로토콜의 특징

이용 가능한 Application Layer 프로토콜

CANopen, DeviceNet, CANKingdom, Smart Distributed System,In-Vehicle Networking, J1939


- 일반 차량에서의 CAN (승용차, 트럭, 버스)1) 엔진 관리 시스템, 미끄럼 방지 브레이크, 기어 제어, 활성 서스펜션

등과 같은 ECU들 사이의 커뮤니케이션이 가능하게 합니다2) 계기판, 조명, 에어컨, 창문, 중앙 잠금, 에어백, 좌석 벨트 등과 같은

장치들을 제어하는데 사용 (차체 제어)

- 중장비 차량에서의 CAN1) 건설용 차량, 지게차, 트랙터 등등

2) Power train과 수압 제어를 위해 CAN 사용

- 열차에서의 CAN 1) 서로 다른 전자 하위시스템 제어 장치들 간의 데이터 교환의 필요성

(예 ; 가속, 브레이크 정지, 도어 제어, 진단과 오류 메시지 등등)



- 산업 자동화에서의 CAN1) 모든 종류의 자동 제어 장비를 연결하는 탁월한 방법

(제어 장치, 센서, 액추에이터)2) 초기화, 프로그램과 파라메터 업/다운로드, 측정값 /실제값 교환,

진단 등을 위해 사용3) 기계 제어 ( 인쇄 기계, 종이와 섬유 기계 등등) : 서로 다른 지능적

하위시스템들 연결4) 운송 시스템

- 의료 장비에서의 CAN1) 컴퓨터 단층촬영, X-ray 기계, 치과와 휠체어

- 건물 자동화에서의 CAN1) 난방, 에어컨, 조명, 감시 등등

2) 엘리베이터와 에스컬레이터 제어




LG OTIS 엘리베이터

140층에서 12대의 이층식엘리베이터 제어를하는데 있어서 기존통신속력의 10배 제공

커피 기계

여러 Micro Controller를연결하는데 있어서CANopen 프로토콜 사용


5. 요약

기존의 통신방식에 비해 설치가 간편하고 신뢰성이있으며 시장성이 있는 CAN 통신은 자동차 분야외에도 산업 전반에 걸쳐 적용 분야가 날로 증대되고있으며, 특히, 다중 마이크로 컨트롤러간의 통신에적용하는 Embedded Machine control 어플리케이션분야는 가장 큰 성장 분야중의 하나임.


Appendix A. CAN 인터페이스 구조

CAN 컨트롤러 인터페이스 구조

- 구조상 3가지 로 구분

1) 독립 CAN 컨트롤러

(stand alone CAN controller )

2) 통합 CAN 컨트롤러

(integrated CAN controller)

3) 단일 칩 CAN 컨트롤러

(single-chip CAN controller)

통합 CAN 컨트롤러는 독립 CAN 컨트롤러에 비해 가격이 싸고 공간 요구가적다는 장점이 있지만 CPU에 의존적이므로 재사용성이 다소 떨어진다는 단점이있다. 하지만 단일 칩 컨트롤러에 비해 현재 많이 사용되고 있음

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