오늘날의 자동차는 단순 기계 장치가 아니라 복잡한 전자 시스템의 집합체입니다. 이러한 전자 시스템들이 원활하게 소통하고 협력할 수 있도록 도와주는 것이 바로 CAN (Controller Area Network)입니다. 이번 시간에는 CAN의 개념, 특징, 장단점, 그리고 실제 사용 사례를 통해 CAN에 대해 자세히 알아보겠습니다.
CAN (Controller Area Network)?
CAN 통신 (Controller Area Network)은 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격이다. CAN 통신은 메시지 기반 프로토콜이며 최근에는 차량 뿐만 아니라 산업용 자동화기기나 의료용 장비에서도 종종 사용되고 있다. Controller Area Network (CAN)은 각 제어기들 간의 통신을 위해 주로 사용되는 non-host 버스 방식의 메시지 기반 네트워크 프로토콜이다.
1983년 최초로 Bosch社에 의해 개발되었고, 1986년 공식적으로 소개된 이래, 현재 생산되는 대부분의 자동차에서 사용되고 있으며, 기타 다양한 분야에서도 적용이 되고 있다.
출처:
https://ko.wikipedia.org/wiki/CAN_%EB%B2%84%EC%8A%A4
CAN의 특징
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버스 구조: CAN 네트워크는 버스 토폴로지를 사용하여 모든 장치가 단일 통신 버스를 공유합니다.
- 예시: 마을 회관에서 한 명이 마이크를 사용해 이야기하고, 다른 사람들이 이를 듣는 상황을 가정해봅시다. 모든 사람이 마이크를 통해 소통하는 것처럼, 모든 ECU가 CAN 버스를 통해 데이터를 주고받습니다.
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메시지 기반 통신: 장치들은 서로의 주소가 아닌 메시지 ID를 통해 통신합니다. 이는 네트워크 확장과 재구성을 용이하게 합니다.
- 예시: TV 리모컨을 통해 설명해보겠습니다. 리모컨의 버튼마다 고유한 신호(ID)가 있고, TV는 이 신호를 받아 해당 작업(볼륨 증가, 채널 변경 등)을 수행합니다. 리모컨의 버튼을 추가하거나 제거해도 TV는 각 신호에 맞는 작업을 수행할 수 있습니다.
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에러 검출 및 처리: CAN은 다중 에러 검출 메커니즘과 에러 처리 기능을 제공하여 높은 신뢰성을 보장합니다.
- 예시: 이메일 시스템을 생각해봅시다. 메일을 보낼 때 주소가 잘못되거나 파일이 손상되면 시스템에서 이를 감지하고 오류 메시지를 보냅니다. CAN도 비슷하게 데이터 전송 중 오류를 감지하고 교정합니다.
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속도: CAN은 최대 1 Mbps의 데이터 전송 속도를 지원합니다. 고속 CAN(HS-CAN)과 저속 CAN(LS-CAN) 등 다양한 속도 범주가 있습니다.
- 예시: 고속도로와 일반 도로 비교를 통해 설명하겠습니다. 고속도로는 빠른 속도로 많은 차량이 이동할 수 있지만, 일반 도로는 더 느리게 이동합니다. 마찬가지로, 고속 CAN은 빠른 데이터 전송이 필요할 때 사용하고, 저속 CAN은 덜 긴급한 데이터 전송에 사용됩니다.
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멀티마스터: CAN 네트워크에서는 여러 장치가 동시에 버스를 제어할 수 있어 유연한 통신이 가능합니다.
- 예시: 회의실에서 여러 사람이 동시에 말을 할 수 있는 상황을 가정해보겠습니다. 각 사람이 순서대로 발언하면 모든 사람이 정보를 공유할 수 있습니다. CAN 네트워크도 여러 장치가 동시에 버스를 사용해 데이터를 주고받을 수 있습니다.
CAN 데이터 프레임
CAN 데이터 프레임은 CAN 네트워크에서 장치들 간의 데이터를 주고받는 기본 단위입니다. CAN 데이터 프레임은 다음과 같은 필드들로 구성되어 있습니다.
1. Start of Frame (SOF)
- 비트 수: 1
- 설명: 프레임의 시작을 나타내는 비트입니다. 모든 CAN 노드는 SOF를 감지하고 프레임을 수신하기 시작합니다.
2. Identifier
- 비트 수: 11 (표준 CAN) 또는 29 (확장 CAN)
- 설명: 메시지의 우선순위를 결정하는 고유한 식별자입니다. 값이 낮을수록 우선순위가 높습니다. 확장 CAB에서는 추가 18비트의 식별자가 사용됩니다.
3. Remote Transmission Request (RTR)
- 비트 수: 1
- 설명: 데이터 프레임과 원격 프레임을 구분합니다. 데이터 프레임일 경우 0, 원격 프레임일 경우 1입니다.
4. Identifier Extension (IDE)
- 비트 수: 1
- 설명: 표준 프레임(11비트 식별자)과 확장 프레임(29비트 식별자)을 구분합니다. 표준 프레임일 경우 0, 확장 프레임일 경우 1입니다.
5. Reserved Bit (r0)
- 비트 수: 1
- 설명: 예약된 비트로, 현재는 사용되지 않으며 0으로 설정됩니다.
6. Data Length Code (DLC)
- 비트 수: 4
- 설명:데이터 필드의 길이를 나타내는 4비트 값입니다. 최대 8바이트까지 설정할 수 있습니다.
7. Data Field
- 비트 수: 0-64 (8 바이트)
- 설명: 실제 데이터가 포함된 필드입니다. DLC에 의해 지정된 길이만큼 데이터를 포합합니다.
8. CRC Field
- 비트 수: 15
- 설명: 오류 검출을 위한 필드로, 송신자가 생성한 CRC (순환 중복 검사) 값을 포함합니다. 즉, 전송된 데이터의 무결성을 확인하기 위한 15비트의 CRC(Cyclic Redundancy Check) 값입니다.
9. CRC Delimiter
- 비트 수: 1
- 설명: CRC 필드의 끝을 나타내는 단일 비트로 항상 1로 설정됩니다.
10. ACK Slot
- 비트 수: 1
- 설명: 수신 장치가 데이터를 올바르게 수신했음을 알리는 단일 비트입니다. 송신자는 0을 전송하고, 수신자가 확인 후 0으로 응답합니다.
11. ACK Delimiter
- 비트 수: 1
- 설명: ACK 슬롯의 끝을 나타내는 단일 비트로 항상 1로 설정됩니다.
12. End of Frame (EOF)
- 비트 수: 7
- 설명: 프레임의 끝을 나타내는 비트입니다. 이 비트들은 항상 1로 설정됩니다.
13. Intermission
- 비트 수: 3
- 설명: 프레임 간 간격을 나타내는 비트입니다. 다음 프레임이 시작되기 전에 최소 3비트 간격이 필요합니다.
예시 데이터 프레임
SOF Identifier RTR IDE r0 DLC Data Field CRC Field CRC Delimiter ACK Slot ACK Delimiter EOF Intermission
0 10101101101 0 0 0 4 11001100 101010101010101 1 0 1 1111111 111-
예시 설명
필드 설명 값 SOF 프레임의 시작을 알리는 비트 0 Identifier 메시지의 우선순위와 내용을 식별하는 ID 10101101101 RTR 데이터 프레임(0) 또는 원격 프레임(1)을 나타냄 0 IDE 표준 프레임(0) 또는 확장 프레임(1)을 나타냄 0 r0 예약된 비트, 항상 0 0 DLC 데이터 필드의 길이를 나타내는 4비트 값 4 Data Field 실제 데이터가 포함된 필드 11001100 CRC Field 전송된 데이터의 무결성을 확인하기 위한 15비트 CRC 값 101010101010101 CRC Delimiter CRC 필드의 끝을 나타내는 단일 비트, 항상 1 1 ACK Slot 수신 장치가 데이터를 올바르게 수신했음을 나타내는 비트 0 ACK Delimiter ACK 슬롯의 끝을 나타내는 단일 비트, 항상 1 1 EOF 프레임의 끝을 알리는 7비트 시퀀스 1111111 Intermission 프레임과 프레임 사이의 간격을 제공하는 3비트 시퀀스 111
이 정보를 통해 알 수 있듯이 CAN 데이터 프레임은 다양한 필드로 구성되어서 각 필드가 특정 역할을 담당하여 데이터 전송의 신뢰성을 보장합니다.
CAN의 장점
- 높은 신뢰성: 에러 검출 및 오류 정정 메커니즘이 내장되어 있어 데이터 전송의 신뢰성이 높음
- 실시간 통신: 빠른 데이터 전송 속도로 실시간 통신이 가능
- 확장성: 메시지 기반 통신 방식으로 네트워크 확장과 재구성이 용이
- 비용 효율성: 단일 버스를 통해 여러 장치가 통신할 수 있어 배선 비용 절감
CAN의 단점
- 대역폭 제한: 최대 전송 속도가 1 Mbps로, 대용량 데이터 전송에는 적합하지 않음
- 복잡성: CAN 네트워크의 설정과 관리가 복잡할 수 있음
- 비결정적 지연: 멀티마스터 구조로 인해 메시지 충돌이 발생하면 재전송 지연이 발생할 수 있음
정리
CAN 네트워크는 현대 자동차의 필수적인 신경망입니다. 이를 통해 차량 내 다양한 시스템이 원활하게 통신하고 협력하여 안전하고 효율적인 운행을 가능하게 합니다. CAN의 높은 신뢰성, 유연성, 효율성은 차량 제조업체가 더 복잡하고 정교한 전자 시스템을 구현할 수 있도록 지원합니다.
자동차 기술이 발전함에 따라 CAN과 같은 네트워크의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 특히, 자율주행 차량의 시장 출시가 증가하는 상황에서 CAN과 같은 고도화된 통신 기술은 이러한 혁신을 주도할 것입니다.
이번 시간을 통해 CAN의 개념과 특징을 이해하는 데 도움이 되셨나요? 더 커져가는 자동차 소프트웨어 기술에 지속적인 관심과 학습을 통해 함께 더 나은 이해와 활용하는 시간을 가져봅시다.
