CAN 통신이란?

CAN 통신이란?

CAN(Controller Area Network) 통신은 자동차 및 산업용 장비에서 사용되는 고속, 신뢰성 높은 네트워크 프로토콜입니다.

1980년대 독일의 Bosch에서 개발되었으며, 자동차의 ECU(전자 제어 장치) 간 데이터를 효율적으로 교환하기 위해 설계되었습니다. 오늘날 자동차뿐만 아니라 의료 장비, 항공, 산업 자동화 등 다양한 분야에서 사용됩니다.

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1. CAN 통신의 주요 특징

1. 멀티 마스터 구조:
   • 네트워크 내의 모든 노드가 주(master) 역할을 할 수 있어, 특정 노드의 장애로 인해 네트워크 전체가 영향을 받지 않습니다.
   • 각 노드는 데이터 요청 및 송신을 자유롭게 수행.
2. 우선순위 기반 메시지 전송:
   • CAN 프레임의 **식별자(identifier)**를 사용해 메시지의 우선순위를 설정.
   • 우선순위가 높은 메시지가 먼저 버스에 접근.
3. 고속 데이터 전송:
   • 표준 CAN: 최대 1 Mbps
   • CAN FD(CAN Flexible Data-rate): 최대 8 Mbps
4. 높은 신뢰성:
   • 데이터 전송 중 오류 검출 및 복구 기능 제공.
   • CRC(순환 중복 검사), ACK(응답 슬롯), 에러 플래그 등 다양한 메커니즘으로 데이터 무결성 보장.
5. 버스 토폴로지:
   • CAN 통신은 버스(bus) 형태로 구성되며, 노드들이 동일한 물리적 선로를 공유.
   • 네트워크 내의 노드 추가/삭제가 용이.
6. 비용 효율성:
   • 단순한 배선 구조로 시스템 비용 절감.

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2. CAN 통신의 구성 요소

1. 물리적 계층

• 케이블:
  • 트위스트 페어(Twisted Pair) 케이블 사용.
  • CAN_H(고속선), CAN_L(저속선)의 두 선으로 구성.
• 터미네이션 저항:
  • 버스 양 끝에 120Ω 저항을 배치해 신호 반사를 방지.

2. 데이터 링크 계층

• CAN 컨트롤러:
  • 데이터 프레임 생성, 수신, 오류 검출을 수행.
• CAN 트랜시버:
  • 물리적 신호(CAN_H, CAN_L)를 전기적 신호로 변환.

3. 어플리케이션 계층

• 상위 프로토콜:
  • CAN 통신은 어플리케이션 계층을 정의하지 않음.
  • 예: ISO-TP, SAE J1939, CANopen 등이 상위 계층 프로토콜로 사용.

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3. CAN 통신 프레임 구조

CAN 통신의 데이터 전송은 프레임(frame) 단위로 이루어집니다. 주요 프레임 구조는 다음과 같습니다:

1. 표준 CAN(11비트 식별자)

필드설명

Start of Frame (SOF)	프레임 시작을 알리는 비트.
Identifier	메시지 우선순위를 결정하는 11비트 식별자.
Control	데이터 길이(DLC: Data Length Code)를 포함한 제어 필드.
Data	실제 데이터(최대 8바이트).
CRC	오류 검출을 위한 15비트 CRC.
ACK	수신 측 노드가 프레임 수신을 확인하는 슬롯.
End of Frame (EOF)	프레임 종료를 알리는 비트.

1.1 예제: 요청 메시지 (진단 도구 → ECU)

바이트값 (16진수)설명

1	7D F	Identifier (진단 요청).
2	08	DLC (데이터 길이: 8바이트).
3	02	UDS 헤더 (데이터 길이: 2바이트).
4	01	UDS 서비스 ID (0x01, OBD-II 요청).
5	0D	PID (차량 속도 요청).
6~8	00 00 00 00	패딩 데이터 (사용되지 않음).

요청 메시지 (전체):

7D F 08 02 01 0D 00 00 00 00

• Identifier: 0x7DF (broadcast 요청 식별자).
• Data:
  • 02: UDS 메시지 데이터 길이.
  • 01: OBD-II 요청 서비스 (Read Data by PID).
  • 0D: PID (차량 속도 요청).

2. CAN FD(확장된 데이터 전송)

추가 필드설명

BRS (Bit Rate Switch)	데이터 전송 속도 변경 여부를 지정.
Data Field	최대 64바이트 데이터 전송 가능.

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4. CAN 통신의 동작 원리

1. 프레임 전송:
   • CAN 노드가 데이터를 전송하려면 네트워크가 유휴 상태인지 확인합니다.
   • 네트워크가 유휴 상태이면 식별자를 사용해 데이터를 전송.
2. 충돌 해결 (Arbitration):
   • 여러 노드가 동시에 데이터를 전송하려고 하면 식별자 값으로 우선순위를 판단.
   • 더 낮은 값(높은 우선순위)의 식별자를 가진 노드가 전송 권한을 가짐.
3. 프레임 수신 및 ACK:
   • 수신 측 노드는 프레임을 수신한 후 ACK 슬롯에 도미넌트 신호를 기록해 성공적인 수신을 알림.
4. 오류 검출 및 복구:
   • CAN은 CRC, ACK, 에러 플래그 등을 통해 오류를 검출하고, 오류 발생 시 자동 복구.

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5. CAN 통신의 오류 처리 메커니즘

CAN은 네트워크 신뢰성을 높이기 위해 다양한 오류 처리 메커니즘을 제공합니다:

1. 비트 오류 (Bit Error):
   • 전송한 비트와 수신된 비트가 불일치할 경우 발생.
2. CRC 오류 (CRC Error):
   • 수신된 데이터의 CRC 값이 계산된 CRC 값과 다를 경우 발생.
3. ACK 오류 (ACK Error):
   • 송신된 프레임에 대한 ACK 슬롯 응답이 없을 경우 발생.
4. 형식 오류 (Form Error):
   • 프레임 구조가 CAN 규격에 맞지 않을 경우 발생.
5. 복구:
   • 오류 발생 시 에러 플래그를 전송하고, 전송 중이던 프레임을 다시 전송.

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6. CAN 통신의 확장

1. CAN FD (Flexible Data-rate)
   • CAN의 개선된 버전으로, 데이터 전송 속도와 용량을 증가.
   • 최대 64바이트 데이터 전송 및 8 Mbps 속도 지원.
2. CANopen
   • 산업 자동화를 위해 개발된 상위 프로토콜.
   • 장치 간의 표준화된 통신을 지원.
3. SAE J1939
   • 상용차 및 중장비에서 사용하는 상위 프로토콜.
   • 엔진, 트랜스미션, ABS 등의 데이터를 교환.
4. ISO-TP (ISO 15765-2)
   • CAN에서 데이터 패킷을 여러 프레임으로 나누어 전송.

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7. CAN 통신의 장점과 단점

장점

1. 신뢰성:
   • 오류 검출 및 복구 메커니즘으로 데이터 무결성 보장.
2. 효율성:
   • 우선순위 기반 메시지 전송으로 네트워크 활용 최적화.
3. 유연성:
   • 멀티 마스터 구조로 네트워크 확장이 용이.
4. 비용 절감:
   • 단순한 배선 구조로 시스템 비용 절감.

단점

1. 전송 속도 제한:
   • 표준 CAN은 1 Mbps로 고속 통신에 한계.
2. 데이터 크기 제한:
   • 표준 CAN은 최대 8바이트 데이터만 전송 가능(CAN FD로 개선).
3. 복잡한 네트워크 설계:
   • 대규모 네트워크 설계 시 식별자 및 우선순위 관리가 필요.

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8. CAN 통신의 활용 분야

1. 자동차
   • ECU 간 통신(엔진 제어, ABS, 에어백 등).
   • 전기차 및 자율주행 차량의 데이터 교환.
2. 산업 자동화
   • 센서, 액추에이터 간의 통신.
3. 의료 장비
   • MRI, CT 등의 장치 제어 및 데이터 교환.
4. 항공 및 철도
   • 실시간 데이터 교환 및 시스템 모니터링.

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결론

CAN 통신은 신뢰성, 효율성, 유연성을 갖춘 네트워크 프로토콜로, 다양한 산업에서 필수적으로 사용되고 있습니다.

특히 자동차 산업에서 ECU 간 데이터 교환의 핵심 역할을 수행하며, CAN FD와 같은 확장 기술로 고속 통신 및 데이터 용량 증가 요구를 충족하고 있습니다. 🚗✨