CAN 및 LIN 통신을 이용한 차량용 네트워크 소개

[진달(KJ Park)]

CAN 및 LIN 통신을 이용한 차량용 네트워크 소개

차량에서의 네트워크

   다양한 전자 시스템이 결합된, 전형적인 현대 고급차의 내장을 갖추고있는 이러한 정도의 분리된 시스템들의 경우, 이것들을 함께 연결하기 위해 보통 사용되는 배선 장치는 믿어지지 않을 정도의 엄청난 케이블들을 필요로 하며, 이것은 전체적인 차량의 무게와 제조비용에서 상당한 부분을 차지하게 됩니다.  이 문제의 확실한 해결책은 이러한 모든 시스템들을 차량 둘레에서 실행되는 한 개 혹은 두 개의 전선들로 구성된, 사무실의 데스크탑 PC들을 함께 연결한 것 같은 방식인, 하나의 공통 네트워크 버스에 연결하는 것입니다. 이것은 차량에서의 배선 양을 즉각 획기적으로 감소시키며, 네트워크 인터페이스 칩들이 아주 저렴한 이상, 차량의 총 제조비용도 감소됩니다. 이것이 바로 계측 제어기 통신망(CAN)의 숨은 개념입니다. 그러나 그토록 많은 시스템들과, 우선  순위들 변경으로, 서로 다른 응답 시간들과 우선순위들을 처리하기 위해서는, 별도의 독립적인 네트워크들을 사용하는 것이 마땅하다는 것을 금방 알게 됩니다. (예를 들어 사용자는 썬루프 컨트롤러가 우선순위를 갖는 것을 원하지 않거나 블록 정보, 에어백 개발 시스템을 원하지 않을 수도 있습니다!)  네트워크의 서로 다른 종류들은 크게 4개의 클래스 범주들로 나눌 수 있습니다:

클래스 A 네트워크들은 전자 부트 작동기(electronic boot release), 전동 거울 조정장치, 비 탐지, 썬루프, 기상 관리 등과 같은 편의 기능 또는 고급 기능들에 일반적으로 사용되며 10 kbit/s 미만으로 작동합니다. 클래스 B 네트워크들은 파워 윈도우, 좌석 조절장치, 계기 같은 정보의 일반적인 전송을 담당합니다. 이것들은 10 ~ 125 kbit/s 정도로 실행됩니다. 클래스 C 네트워크들은  파워 트레인, 안정성 제어(ABS, 견인 제어, 액티브 서스펜션), 엔진 관리, 변속 같은 실시간 제어 애플리케이션 - 정보의 빠른 응답 시간 또는 전송이 필요한 모든 애플리케이션- 들 에서 사용됩니다. 이것들은 125 kbit/s부터 최대 1Mbit/s 로 작동합니다. 클래스 D 네트워크들은 인터넷, 디지털 TV, x-by-wire 같은 애플리케이션들에서 사용되며, 일반적으로 1Mbit/s 이상의 빠른 속도에서 실행되는 것들입니다.

CAN (Controller Area Network)

CAN은 무엇인가? 

   CAN 버스는 마이크로컨트롤러들 간의 통신을 위해 설계되었습니다 - 자동차 분야에서 이것은 엔진 관리 시스템, 변속장치 제어, 계기 팩, 그리고 차체 전자 기술 같은 온-보드 전자 제어 장치(ECUs)들 간의 정보 교환에 사용되곤 합니다. 이론적으로 하나의 단일 네트워크에는 최대 2032개의 디바이스들이 한 개의 CAN 버스(한 개의 ID 번호를 가진 한 개의 노드를 가정) 에 연결될 수 있습니다. 그러나 하드웨어 (즉, 송수신기)의 현실적인 제한으로 인해, 이것은 실제적으로는 한 개의 단일 네트워크에 최대 110개 노드들을 (필립스 82C250 CAN 컨트롤러를 사용) 허용합니다. CAN은 최대 1 Mbit/sec 의 데이터 통신을 제공하여, 실시간 제어를 촉진합니다. 덧붙여, 오류 제한(Error Confinement)과 오류 탐색(Error Detection) 기능들은 noise-critical 환경들에서의 신뢰성을 더욱 높여줍니다. 

누가 CAN을 개발했는가? 

  Controller Area Network는 원래 1980년대 후반에 자동차 산업을 위해 독일 회사 Robert Bosch GmbH에 의해 개발되었습니다. 그들이 CAN을 개발하게 된 동기는 - 고객들의 그들 차량에 대한 더욱더 많은 기능상의 요구들이, 대부분은 전자식으로 작동되며 더욱 많은 배선을 의미하는, 또 다른 온-보드 시스템과의 어떤 통신 형태를 필요로 하는 것이기 때문에, 현대 자동차에서의 내부-ECU 통신에 필요한 꾸준히 증가하고 있는 거대한 배선 작업의 문제에 대한 해결책을 제공하기 위해서였습니다. 그들의 결론은 모든 온-보드 주변장치들이 부착될 수 있는 하나의 단일 네트워크 버스를 설계하는 것이였습니다. 1993년 CAN은 표준 ISO 11898(고속 애플리케이션용) 과 ISO 11519(저속 애플리케이션용)  가 되었습니다. 이것은 다중-마스터 직렬 통신 버스로 이것의 기본 설계 사양은 고속, 높은 잡음 면역성, 그리고 오류-검출 기능들에 적합하게 되어있습니다. 이러한 기능들의 결과로, CAN 버스는 또한 제조 산업과 항공 우주 산업들에서도 폭넓게 사용되게 되었습니다. 

CAN은 어떻게 동작하는가? 

  CAN 통신 프로토콜은 CAN 버스에서 디바이스들 통신 사이로 데이터가 전달되는 방법을 명시합니다. 이것은 ISO의 개방형 시스템 상호연결 모델(Open System Interconnection model)을 따르며, 이 모델은 통신 네트워크 표준인 일곱 계층으로 되어 있습니다. 이 OSI 모델은 두 개 네트워크 노드들 간의 층화된 통신 시스템을 기술하며, 이론상 각 계층은 로컬 모드에서는 오직 자신의 직접적인 위, 아래의 계층들과 통신할 수 있으며, 원격 모드에서는 동등한 계층과 통신할 수 있습니다. OSI 모델의 계층들은 아래의 표에 나와 있습니다. 사실 CAN 프로토콜은 OSI 모델의 가장 낮은 두 개 층들로 설명될 수 있습니다 - 데이터 링크 계층과 물리적 계층. 애플리케이션 계층 프로토콜들은 개별적인 CAN 사용자들에 의해 개발된 독점 구조, 또는 특정 산업 내에서 사용되는 신생 표준들 중의 하나가 될 수 있습니다. 프로세스-제어/제조 분야에서 사용되는 공통적인 애플리케이션 표준 층은 DeviceNet으로, 이것은 PLC의 네트워킹과 지능 센서들 그리고 액츄에이터에 특히 적합합니다. 자동차 산업에서 많은 제조업체들은 그들 자신의 독점적인 표준을 사용하고 있습니다.

7	Application Layer	최상위층. 이것은 사용자가 네트워크와 상호 작용하는데 사용되는 소프트웨어를 설명하는 계층입니다. 예를 들어 DeviceNet이 해당됩니다.
6	Presentation Layer	변환될 데이터의 구문을 서술합니다. - 예를 들어 서로 다른 수학 포맷을 사용하는 두 개 시스템들 간의 부동 소수점 수 변환
5	Session Layer	하위 계층들에 의해 처리된 패킷들보다 큰 데이터 순차들 처리에 관하여 서술합니다.
4	Transport Layer	두 개 통신 노드들 간의 데이터 전송 품질과 속성을 설명합니다. 재전송과 오류 복구같은 문제들을 다룹니다.
3	Network Layer	다양한 데이터 링크를 거쳐 일련의 교환들이 어떻게 한 네트워크에서 임의의 두 개 노드들 간의 데이터를 전송할 수 있는지 설명합니다. 라우팅과 어드레싱 같은 문제들을 다룹니다.
2	Data Link Layer	특정 매체를 통해 전송된 데이터 비트의 배열과 조직을 서술합니다. 예를 들어, 이 계층은 checksum과 framing을 다룹니다.
1	Physical Layer	교환된 신호들의 해석, 전기적 특성들과 함께 통신 매체의 물리적 특징들도 서술합니다.

   물리 계층에서, CAN은 광섬유 또는 꼬임-쌍(가장 보편적) 같은 다양한 종류의 매체를 사용하여 잠정적으로 통신할 수 있습니다. 꼬임-쌍 시그널링은 각각의 전선에서 서로 다른 전압들을 사용하여 실행되므로 (balanced-line signalling 으로도 알려져 있습니다), 한 전선에서의 신호 전압은 또한 다른 전선에서 전송되지만, 반전됩니다. 수신기에서, 이 신호는 한 신호를 반전하고 두 개의 신호를 합해서 복원됩니다 - 이것은 두 개 전선들에 대해 공통적인 것이므로, 이 방법은 버스상에서 발견된 어떤 노이즈도 줄일 수 있습니다. 바로 이 과정에서 CAN은 자체의 잡음 면역(noise immunity)과 결함 허용(fault tolerance) 기능들을 유도합니다. 두 개의 전선들은 CAN_H (or CAN High) 와 CAN_L (or CAN Low) 로 불립니다. 정지 상태(또는 "recessive") 에서 CAN_H 와 CAN_L 은 2.5V에 놓입니다. 이것은 디지털 "1"로 표시되며, 또한 "recessive" 비트로도 알려져 있습니다. 디지털 '0' 은 또한 "dominant' 비트로도 알려져 있으며, CAN_L보다 큰 CAN_H에 의해 지시됩니다. 일반적으로 디지털 '0' 의 경우, 관련된 전압은 CAN_H = 3.5V 그리고 CAN_L = 1.5V입니다.

CAN의 특징

CAN 의 가장 매력적인 특징들은 다음과 같습니다:

• 저비용.

• 극대화된 견고성

• 빠른 데이터 전송 속도 (최대 1MBit/sec)

• 신뢰성. 탁월한 오류 처리와 오류 제한 기능들

• 결함 메시지들의 자동적인 재-전송

• 물리적으로 결함이 추정되는 노드들의 자동적인 버스 연결절단

• 기능위주의 어드레싱 - 데이터 메시지들은 소스 혹은 목적지 주소들을 포함하지 않으며, 그들의 함수 그리고(또는) 우선순위와 연관된 식별자들만을 포함합니다.

CAN 칩 제조사 

아래에 주요 CAN 칩 메이커들이 요약되어 있습니다:

Vendor	Product	Type	Comments
Fujitsu	F2MC-16L	2.0B, Integrated	16 bit
Hitachi	HCAN-1 H8/300H SuperH	Stand-alone Integrated integrated	- - -
Intel	82527 87C196CA/CB	2.0B, FullCAN, Stand-alone Integrated	- 16 bit version
Intermetall	CCU 3010E	Integrated	-
Mitsubishi	M37630 E4/M4	2.0B, Integrated	8 bit
Motorola	MC68HC05XX MC68HC08AZ MC68376	2.0A, Integrated 2.0B, Integrated 2.0B, Integrated	8 bit, XX=4K, 16K or 32K 8 bit, 16K, 24K or 32K 32 bit
National Semiconductors	COP87L88EB COP87L89EB CR16-CAN DS36C250	2.0B, BasicCAN, Integrated Integrated 2.0B, Integrated 2.0B CAN transceiver	8 bit - 16 bit flash -
NEC	uPD78F0948	2.0B, 8 bit Integrated	Many variations available
Philips Semiconductors	SJA 1000 8XC592/8XCE598 XA-C3 P82C150 PCA82C250/251 PCA82C252	2.0B, BasicCAN, Stand-alone 2.0A, Integrated 2.0B, Integrated 1.0, Serial Link I/O CAN Controller Interface Fault-Tolerant CAN transceiver	C200 was replaced by SJA 1000 Will be replaced by XA-G3 16 bit Discontinued C250 will be replaced by C251 Low speed, up to 125Kbps
SGS Thomson	ST10F167	Integrated	16 bit
Infineon	SAE81C90/91 SABC167CR SAB515C	2.0B, FullCAN, Stand-alone 2.0B, FullCAN, Integrated 2.0B, FullCAN, Integrated	2.0B Passive 16 bit 8 bit
Temic	TSC8051A11	Integrated	8 bit
Texas Instruments	TMS370E08D55 UN5350	2.0B, Integrated CAN transceiver	- Pin Compatible with 82C251
Toshiba	TMP88PP87 TMP93PW50	2.0B, Integrated 2.0B, Integrated	8 bit 16 bit

CSMA/CD-NDBA  

   CSMA/CD 는 충돌 탐지 기능을 가진 Carrier Sense Multiple Access 를 나타냅니다. CSMA/CD를 이용하면 버스 주소지정이 버스 상(carrier sense)에서 반송파를 감지(listening)하여 이루어지며, 단지 버스가 유휴상태일 때 전송됩니다. 이 방식에서, 다중 노드들이 동일한 네트워크에 부착되는 것이 가능합니다. 충돌이 탐지되면, 재전송 하기 전에 임의 시간이 지날 때까지 전송을 시작했던 모든 노드들이 다시 "listen"으로 되돌아가게 됩니다. 그러나 이 기법은 과중하게-로드된 버스에서는 여전히 약간의 지연을 유발합니다. 이러한 지연을 피하기 위해, CAN 버스에서 두 개 노드들이 동시에 전송할 때, 한 개 메시지가 우선 순위를 갖게하는 방법이 필요합니다 - 이것은 'Non-Destructive Bit-wise Arbitration' 을 사용하여 달성됩니다. CAN 버스의 각 노드는 유일한 식별자(ID)를 가지며, 그것은 11비트 또는 29 비트 숫자입니다. CAN은 이진 0 이 이진 1 에 우선하도록 결정합니다. 따라서 더 낮은 ID 번호 - 더 높은 우선 순위, 그러므로 식별자 0 (즉, 11 이진 0 들) 이 버스에서 최고의 우선 순위를 갖습니다. 이것을 알아보는 다른 방법으로 메시지 충돌 상황이 있는데, 다른 노드가 1 을 보낼 때 0 을 보내는 최초의 노드가 버스 제어를 획득하게 되고 성공적으로 자신의 메시지를 전송하는 것입니다.

CAN higher level protocol

  CAN higher level protocol (또한 Application layer protocol로도 알려져 있습니다)은 현재의 하위 CAN 계층(물리 계층과 데이터 링크 계층)들의 "위"에서 실행되는 프로토콜입니다. 상위 단계 프로토콜은 CAN의 물리 계층과 데이터 링크 계층들을 개발된 응용 계층의 밑바탕으로 사용합니다. 많은 시스템들, (예. 자동차 산업)은 독점적 응용 계층을 사용하지만, 많은 산업들에서, 이 방법은 비용-효과적이지 않습니다. 여러 단체들이 시스템 통합을 쉽게 하기 위해서 표준화된 개방형 애플리케이션 계층들을 개발하고 있습니다.

몇가지 이용할 수 있는 CAN 상위 단계 프로토콜들입니다:

• Open DeviceNet Vendors Association 의 DeviceNet

• Honeywell 의 Smart Distributed System (SDS)

• CiA의 CAN Application Layer (CAL)

• CiA의 CANOpen (subset of CAL)

• 스웨덴 Kvaser의 CANKingdom

Bitwise arbitration

  CAN 버스에서 두 개 노드들이 동시에 전송할 때, 한 메시지가 우선순위를 갖는 방법이 필요합니다. 이것은 'non-destructive bit-wise arbitration' 을 사용하여 달성됩니다. CAN 버스의 각 노드는 유일한 식별자(ID)를 가지며, 그것은 11비트 또는 29 비트 숫자입니다. CAN은 이진 0 이 이진 1 에 우선하도록 결정합니다. 따라서 더 낮은 ID 번호 - 더 높은 우선순위, 그러므로 식별자 0 (즉, 11 이진 0 들)이 버스에서 최고의 우선순위를 갖습니다. 이것을 알아보는 다른 방법으로 메시지 충돌 상황이 있는데, 다른 노드가 1 을 보낼 때 0 을 보내는 최초의 노드가 버스 제어를 획득하게 되고 성공적으로 자신의 메시지를 전송하는 것입니다.

BasicCAN 과 FullCAN

  BasicCAN 과 FullCAN 이라 이름 붙여진, 두 개의 일반적인 CAN 접근법이 있습니다. 이것들은 들어오고 나가는 데이터가 처리되는 방식에서 서로 다릅니다. 간단히 말하면, BasicCAN은 CAN 메시지 전송과 수신을 처리하기 위해 호스트 CPU를 필요로 하며, 프레임 저장소를 다룹니다. FullCAN은 메시지 전송, 메시지 수신 그리고 최대 16개 메시지들의 저장을 CAN 컨트롤러에 맡깁니다. CPU는 정보가 필요할 때 CAN 컨트롤러에 문의합니다. 이 방식에서, FullCAN은 CAN 처리의 책임을 CPU에서 배제시킵니다 - 다른 작업들을 처리할 수 있는 자유를 부여.  FullCAN에서 CAN 컨트롤러는 인터럽트가 설정되어 있다면 CPU를 인터럽트 할 수 있습니다 - 그리고 어떤 지정된 ID를 가진 메시지가 수신된다면 컨트롤러가 CPU를 인터럽트 하면서 "필터링 허용' 같은 작업들을 처리할 수 있습니다.

Standard CAN 과  Extended CAN

  표준 CAN에서는 식별자들이 11비트 길이를 가지며 확장 CAN에서는 식별자들이 29비트 길이를 갖습니다. CAN 프로토콜 버전 2.0 에서 명시된 것에 의하면, V2.0A 로 컴파일하는 CAN 컨트롤러는 반드시 11-비트 식별자를 가져야만 합니다. 반면 V2.0B 에서는, 11비트 또는 29비트 아무 것이나 될 수 있습니다. V2.0B active를 이용하면, CAN 컨트롤러는 표준 포맷과 확장 포맷 모두를 전송하고 수신할 수 있습니다. V2.0B passive를 이용하면, CAN 컨트롤러는 표준 프레임을 전송하고 수신하게 되며 확장 프레임은 오류 없이 무시하게 됩니다.

CAN2.0A 와 CAN2.0B

  CAN 2.0A 는 표준 CAN을 위한 규격서입니다. CAN 2.0B 는 확장 CAN을 위한 규격서입니다.

LIN 이란 무엇인가?

LIN (Local Interconnect Network)은 차량에서의 분산된 전자 시스템을 위한 저비용의, 직렬 통신 시스템입니다. 이것은 CAN 과 같은, 현존하는 자동 다중화 네트워크를 보완하기 위해 고안된 것입니다. 이 규격에는 프로토콜과 물리 계층의 정의와 더불어 개발 도구와 애플리케이션 소프트웨어에 대한 인터페이스 정의도 들어있습니다. LIN은 CAN의 대역폭과 다기능이 필요하지 않은 액추에이터와 스마트 센서를 위한 비용-절감 통신을 가능하게 합니다.  이 통신은 SCI (UART) 데이터 포맷,  single-master/multiple-slave 개념, single-wire 12V 버스, 안정된 time base가 없는 노드들을 위한 클럭 동기화를 바탕으로 합니다.  개발 환경과 맞추어 Serial low cost communication concept의 개념을 표준화하기 위한 LIN 협회가 만들어져서, 자동차 제조업체들과 그들의 공급업체들은 매우 경쟁력있는 가격으로 복잡한 계층적 다중 시스템들을 생성, 실행, 처리할 수 있게 되었습니다.

LIN의 핵심 기능 

• 개선된 ISO 9141을 바탕으로 저비용의 single-wire 구현

• 최대 속도  20Kbit/s (EMI-이유로 제한)

• Single Master / Multiple Slave 개념 따라서 중재 불필요

• 보편적인 UART 인터페이스를 바탕으로 하는 저 비용 실리콘 구현. 이것은 거의 모든 마이크로컨트롤러들이 필요한 하드웨어를 칩 상에 갖고 있다는 것을 뜻함.

• 크리스탈 또는 세라믹 공진회로(resonator)가 없는 slave 모드에서의 반 동기화로 slave 하드웨어의 중요한 비용 절감 효과

• 신호 전송을 위한 보증된 대기 시간. 따라서 예측 시스템 가능.

• 다른 slave 노드들에서 하드웨어나 소프트웨어를 변경하지 않고도 LIN 네트워크에 노드들을 추가 가능

• 전형적인 LIN 네트워크의 크기는, 적은 수의 64 식별자들과 상대적으로 느린 전송속도로 인한,  12 노드들 이하 (그러나 여기에 제한되지는 않음)

LIN communication 개념

LIN 네트워크는 한 개의 마스터 노드와 한 개 혹은 그 이상의 슬레이브 노드들로 이루어집니다. 모든 노드들은 하나의 전송과 하나의 수신 작업으로 분할되는 한 개의 슬레이브 커뮤니케이션 작업을 포함하며, 이에 반해 마스터 노드는 모든 부가적인 마스터 전송 작업을 포함합니다. active LIN 네트워크에 있는 통신은 항상 마스터 태스크에 의해 초기화됩니다. 이 마스터는 동기화 break, 동기화 byte, 메시지 식별자로 구성된 메시지 헤더를 전송합니다. 정확히 하나의 슬레이브 태스크는 식별자의 수신과 필터링 시 활성화되어 메시지 응답 전송을 시작합니다. 응답은 2, 4 혹은 8 데이터 바이트와 한 개의 checksum 바이트로 구성됩니다. 헤더와 응답 파트는 하나의 메시지 프레임을 형성합니다.

LIN 메시지 프레임의 구성

   LIN 메시지 프레임의 내용은 아래와 같이 나타납니다.

메시지의 식별자는 수신지가 아닌, 메시지의 내용을 나타냅니다. 이 통신 개념은 다양한 방식에서의 데이터 교환을 가능하게 합니다. 마스터 노드(자신의 슬레이브 태스크를 사용하는)에서 한 개 또는 그 이상의 슬레이브 노드들까지,  그리고 하나의 슬레이브 노드에서 두 개의 마스터 노드와/또는 다른 슬레이브 노드들. 마스터 노드를 통해 라우팅할 필요 없이, 또는 네트워크에서 마스터의 메시지들을 모든 노드들로 방송할 필요 없이, slave에서 slave로 직접 신호들을 통신하는 것이 가능합니다. 메시지 프레임의 순서는 마스터로 제어되며 사이클을 형성할 수 있습니다.

LIN의 대상이 되는 애플리케이션 

   LIN 버스의 전형적인 애플리케이션들은 (자동차) 문, 핸들, 의자, climate regulation, lighting, rain sensor, 또는 이와 같은 조립 유닛들입니다. 이러한 유닛들에서 LIN의 예민한 비용 특성은 스마트 센서, 액추에이터, 또는 조명 같은 메카트로닉스 요소들의 도입을 가져왔습니다. 이것들은 차량의 네트워크에 쉽게 연결될 수 있으며 모든 종류의 진단과 서비스들에 접속할 수 있게 됩니다. LIN 구현 하에서, 흔히 사용되는 아날로그 신호 코딩은 디지털 신호들로 대체될 것이며, 이것은 최적화된 배선 작업을 가져올 것입니다.

자동차 애플리케이션들에서, 다음과 같은 것들이 LIN 구현에 이상적입니다.

  자동차 지붕 (Vehicle Roof)

•    Rain Sensor  

•    Light Sensor  

•    Light Control  

•    Sun Roof  

   자동차 문 (Vehicle Doors)

•    Mirror  

•    Central Locking  

•    Mirror Switch  

•    Window Lift  

   엔진 (Engine)  

•    Sensors  

•    Small Motors  

•    핸들(Steering Wheel)

•    Cruise Control Switches  

•    Wiper  

•    Turn Signal  

•    Radio  

•    Climate Control  

•    Seat  

•    Seat Position Motors  

•    Occupancy Sensor   

비록 LIN이 원래 자동차 애플리케이션을 위해 설계된 것이기는 하지만, 이것은 또한 산업 자동화와 소비 전자제품들을 위한 센서 버스로써도 관심을 받고 있습니다.

LIN을 지원하는 반도체

현재 다음의 반도체 제조업체들이 LIN 송수신기와 보드상에 LIN 송수신기를 포함한 마이크로컨트롤러를 개발하고 있습니다.

•  Philips  

•  Motorola  

•  Infineon Technologies  

•  ST Microelectronics  

•  Mitsubishi  

LIN Consortium Steering Committee의 주요 회원들

•  Audi AG

•  BMW AG  

•  DaimlerChrysler AG  

•  Motorola GmbH  

•  Volcano Communication Technologies AB  

•  Volvo Car Corporation  

•  Volkswagen AG  

LIN 추가 정보

LIN 컨소티움 웹사이트 http://www.lin-subbus.org

<울산대학교 전기전자정보시스템공학부 / 김 한 실>