1. CAN 개요
1.1 CAN이란?
CAN(Controller Area Network)이란, 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격 이다. 차량 내 ECU(Electronic control unit)들은 CAN 프로토콜을 사용하여 통신한다. 초기에는 차량 네트워크용으로 개발되었으나 최근에는 차량뿐만 아니라 산업 전 분야에 폭넓게 적용되고 있으며, 기본적인 시스템 구성은 아래와 같다.
1.2 CAN 특징
1.2.1 메시지 지향성 프로토콜(Message-Oriented Protocol) (=브로드캐스트 방식)
CAN은 노드의 주소에 의해 데이터가 교환되는 것이 아니라 메시지의 우선순위에 따라 ID(IDentifier)를 할당하고, 이 ID를 이용해 메시지를 구별하는 방식을 사용한다. 즉, 임의의 한 노드 A가 메시지를 전송했다면, A를 제외한 나머지 노드들은 A가 전송한 메시지가 자신에게 필요한 메시지인지를 판단(ID기반 판단) 한다. 자신에게 필요하다면 받아들이고, 아니라면 무시한다.
1.2.2 보완적 에러 감지 메커니즘
CAN은 다양한 에러 감지 매커니즘이 상호 보완전으로 에러를 감지하기 때문에 높은 안전성을 보장한다. 또한 메시지 전송 시, 에러가 감지되면 자동적으로 해당 메시지를 즉시 재전송하는 기능이 있기 때문에 다른 프로토콜에 비해 에러 회복 시간이 짧다.
1.2.3 멀티 마스터 방식
CAN을 기반으로 한 네트워크에는 버스를 점유하기 위한 감독자 노드(Bus Master)의 필요가 없다. 즉, 모든 노드가 버스 마스터가 되어 버스가 비어 있을 때(idle)라면 언제든지 메시지 전송 가능하다. 모든 노드는 버스가 비워지는 즉시 메시지 전송을 시작한다. 만약 CAN 버스에서 두 개의 노드에서 메시지를 동시에 전송하려고 하더라도, 우선순위(식별자, ID)에 따라 각각 전송된다. 즉 우선순위가 높은 메시지(이때, 더 낮은 ID 번호가 더 높은 우선순위를 가짐)가 먼저 전송된다.
1.2.4 결점 있는 노드의 감지와 비활성화
CAN은 버스의 상태를 항상 모니터링하기 때문에 실시간으로 결함이 있는 노드를 감지해 해당 노드를 비활성화함으로써 네트워크의 신뢰성을 보장한다.
1.2.5 전기적 노이즈에 강함
꼬인 2선(Twist Pair Wire, CAN_H, CAN_L)을 이용하여 전기적으로 차별되는 통신을 하여 전기적 노이즈에 매우 강하다.
1.2.6 저렴한 가격 및 구성의 용이성
현재 수십 개의 반도체 제조업체가 다양한 CAN 컨트롤러와 트랜시버를 개발 및 판매하고 있어 가격이 저렴하고 조달이 용이하다.
1.3 CAN 등장 배경
초기에는 자동차 안에 모듈이 많지 않았기 때문에 UART방식, 즉 일대일(Point-To-Point)방식으로 ECU를 연결했는데, 이런 방식은 서로 다른 모듈간 통신을 위해서는 많은 선(line)이 필요한 것이 문제가 되었다. 이는 배선의 증가로 인한 유지 보수 문제, 그리고 배선 증가로 인한 무게 증가, 연비 하락과도 연결이 되었으며 기술의 발전으로 차량 내부에 모듈 수가 점점 증가하고 있는 만큼 이와 같은 문제의 해결이 필요했다. 이러한 문제를 해결한 것이 바로 CAN이다.
CAN은 여러 개의 CAN 디바이스가 서로 통신할 수 있는 안정적인 네트워크(다중 통신 방식, Multi Master)를 제공한다. 이와 같은 네트워크는 ECU가 시스템 내 각 디바이스마다 아날로그 및 디지털 입력을 갖는 것이 아니라 단일의 CAN 인터페이스만 보유한다는 장점이 있다. 따라서 자동차 전체 비용과 중량도 줄일 수 있다.
1.4 CAN BUS 네트워크 동작 원리
- CAN은 Multi Master(다중통신망)구조로, CSMA/CD+AMP(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection with Arbitration on Message Priority) 방식 사용
- 메시지 전송 전, 버스가 비어있는지 확인(CSMA) -> 충돌 감지 시 우선순위(AMP) 로 해결
- 주소 기반 통신이 아니라, CAN 네트워크상에서 각각의 노드를 식별할 수 있도록 각 노드마다 유일한 식별자(ID-11bits 또는 29bits)(메시지 ID 기반) 통신
- ID는 11비트(CAN 2.0A) 또는 29비트(CAN 2.0B)
- 모든 노드는 모든 메시지를 수신하지만, 필요한 ID만 수락하고 나머지는 무시
- ID가 낮을수록 높은 우선순위를 가지며, 충돌 시 낮은 ID가 승자
2. CAN 통신 프로토콜
2.1 CAN 프로토콜 규격
CAN 메시지에 있는 식별자(ID)의 길이에 따라 두 가지 모드로 구분된다.
- 표준 CAN(버전 2.0A): 11비트 식별자
- 확장 CAN(버전2.0B): 29비트 식별자
ISO 규격에 따라 두 가지로 구분되며 **통신 속도에서 차이**가 있다. - ISO 11898: 1Mbps 이상의 고속 통신 가능
- ISO 11519: 125Kbps까지의 통신 가능
대부분의 CAN 2.0A 컨트롤러는 오직 표준 CAN 포맷의 메시지만 전송 및 수신이 가능하며, 확장 CAN 포맷(CAN 2.0B)의 메시지를 수신하더라도 그 메시지를 모두 무시한다. 즉, CAN 2.0A 컨트롤러에서 보내온 메시지 데이터만 유효하다. 그러나 CAN 2.0B 컨트롤러는 양쪽 메시지 포맷(CAN 2.0A, CAN 2.0B)에 대해 모두 송수신이 가능하다.
2.2 CAN 메시지 포맷(구조)
CAN에서 정의하고 있는 4가지 프레임 타입은 다음과 같다.
- 데이터 프레임(data frame): 일반적으로 데이터 전송에 사용
- 리모트 프레임(remote frame): 수신할 노드에서 원하는 메시지를 전송할 수 있는 송신 노드에게 전송을 요청할 때 사용
- 에러 프레임(error frame): 메시지의 에러가 감지되었을 때 시스템에 알릴 목적으로 사용
- 오버로드 프레임(overload frame): 메시지의 동기화 목적으로 사용
CAN 통신에서 데이터 송수신은 메시지 프레임을 사용하여 이루어진다.
| 필드 | 설명 |
|---|---|
| SOF(Start Of Frame) | 한 개의 dominat 비트로 구성되어 있으며, 메시지의 처음을 지시하고 모든 노드의 동기화를 위해 사용된다. |
| Arbitration Field (중재 필드) | 11비트 또는 29비트의 크기를 갖는 ID와 1비트의 RTR(Remote Transmission Request) 비트로 구성된다. 이 영역은 둘 이상의 노드에서 메시지의 전송이 동시에 일어날 경우 발생하는 메시지 간의 충돌을 조정하는 데 사용된다. RTR 비트의 값은 데이터 프레임인지('d') 리모트 프레임인지('r')를 결정하는 데 사용된다. |
| Control Field (제어 필드) | 2비트의 IDE(IDentifier Extension) 비트, 4비트의 데이터 길이 코드(DLC, Data Length Code)로 구성된다. RO는 Reserved 비트 (Extendend CAN 2.0B R0, R1)이다. |
| Data Field (데이터 필드) | 8bytes까지 사용 가능하며, 데이터를 저장하는 데 사용된다(특정한 노드에서 다른 노드로 전송하는 데이터를 포함) |
| CRC (Cyclic Redundancy Check) 필드 | SOF에서부터 데이터 필드까지의 비트열을 이용해 생성한 15비트의 CRC 시퀀스와 하나의 'r'비트의 CRC 델리미터로 구성되어 있다. 이것은 메시지 상의 에러 유무를 검사하는데 사용된다. |
| ACK(ACKnowledge) 필드 | 한 비트의 ACK 슬롯과 하나의 ACK 델리미터('d')로 구성되어 있다. 임의의 노드에서 올바른 메시지를 수신하게 되면 ACK 필드를 받는 순간 ACK 슬롯의 값을 'd'로 설정해 버스 상에서 계속 전송하게 된다. |
| EOF(End Of Frame, 프레임 종료) | 7개의 'r'비트로 구성되어 메시지의 끝을 알리는 목적으로 사용된다. |