차량 내 CAN 네트워크의 문제

CAN 네트워크가 자동차의 아키텍처에서 핵심적인 역할을 담당하고 있기 때문에 다른 네트워크를 사용하면 성능 요구사항도 달라진다. 이것은 일상적으로 부딪히는 디자인 상의 과제로 자동차 OEM 및 공급업체가 소비자들의 요구에 부응하기 위해 노력하면서 지속적으로 생겨날 전망이다. CAN 네트워크는 현재의 자동차와 미래의 자동차 성능의 표준이 되었다.
한 예로, 엔진 및 트랜스미션 제어 장치 관련 정보가 만들어내는 메시지 수는 제한적이지만 주파수가 일정하고 자동차 인프라 내부를 보다 빠른 속도로 흘러가는 파워트레인 중심의 애플리케이션을 들 수 있다. 이와 대조적으로 보디 제어 모듈 내부의 트래픽은 특정 주파수나 순서 없이 메시지가 광범위하게 발생하는 것이 특징이라 할 수 있다.
CAN 표준은 물리층(physical layer) 규격을 규정하지 않는다. 물리층은 통신을 활성화하는 데 필수적이다. 시스템 아키텍처는 ISO/OSI의 7개 계층 모델에 규정된 물리층을 구현하는 데 필요하고 버스의 전류 및 전압 제어를 정의한다. CAN 네트워크는 물리층 요구사항이 없기 때문에 CAN 네트워크마다 물리층 인터페이스가 달라질 수 있다. 자동차에 CAN을 도입하면서 두 가지 주요 물리층이 등장했는데, 그것은 바로 고속 CAN과 저속 CAN이다. 구현 방법 때문에 125 kbps 이상의 버스 속도에서 구현하려면 비용이 매우 많이 든다. 고속 CAN 및 저속 CAN 모두 와이어 쌍에 차동 전압을 사용하더라도 각 방식의 종단 방법이 다르고 서로 호환되지도 않는다.
여러 공급업체 간 하드웨어 및 소프트웨어 상호운용성 문제는 자동차 내부에 ECU 수가 증가함에 따라 더욱 커지는 중요한 과제다. CAN 프로토콜의 적합성 테스트는 적합성을 검증하기 위한 방법론 및 테스트를 규정한 ISO 16845에 정의되어 있다. 테스트 슈트(test suite)는 독립적이고 확인된 CAN 규격의 파라미터를 테스트하기 위해 CAN 시스템 구현 동작을 검증한다. 테스트 사례 분류는 다음과 같다.

- 발신 프레임 유형 사례
- 수신 프레임 유형 사례
- 양방향 프레임 유형 사례

각 테스트 타입은 다시 여섯 개의 테스트 클래스로 나뉜다.

- 유효 프레임 형식 클래스
- 오류 탐지 클래스
- 과부하 프레임 케이스
- 능동 오류 프레임 관리 클래스
- 수동 오류 상태 및 버스 오프(bus-off)  클래스
- 비트 타이밍 클래스

마지막으로 네트워크된 노드 수를 늘리면 시스템 성능, 전력 관리 및 비용 문제가 생긴다. 이 중 비용이 가장 어려운 과제다. CAN은 LIN이라는 서브 버스(sub-bus) 보조 프로토콜이 있는데, LIN은 자동차 내 네트워크 기능을 확장할 때 발생하는 비용 부담을 최소화하기 위해 개발된 것이다. LIN은 자동차의 로컬 인터커넥트 네트워크를 모두 포괄하는 통신 개념이다. LIN 규격은 프로토콜 정의와 물리층뿐 아니라 개발 툴과 애플리케이션 소프트웨어에 필요한 인터페이스 정의까지 규정한다. LIN은 CAN의 대역 및 다용도 기능이 필요하지 않은 자동차의 스위치, 스마트 센서 및 액추에이터 애플리케이션에 사용되는 경제적인 통신 네트워크이다. 통신 프로토콜은 SCI (UART) 데이터 형식, 싱글 마스터/멀티 슬레이브 개념, 싱글 와이어 12V 버스 및 안정적인 타임 베이스가 없는 노드의 클록 동기화를 기반으로 한다. LIN 컨소시엄은 저비용 직렬 통신 개념의 표준과 자동차 제조업체와 공급업체가 복잡한 계층적 멀티플렉스 시스템을 매우 저렴하게 개발 및 구현, 처리할 수 있는 개발 환경을 함께 개발했다.
LIN은 소프트웨어 버전(software equivalent) 코드 또는 순 상태 기기(pure-state machine)로도 구현할 수 있다. LIN 네트워크의 미디엄 액세스는 마스터 노드에서 제어하기 때문에 슬레이브 노드의 중재나 충돌 관리가 필요하지 않고, 그에 따라 신호 전송에 필요한 ‘최악의 경우를 고려한 대기 시간’ 조건을 확실하게 충족할 수 있다.

LIN의 주요 사양
  - 저비용 싱글 와이어 구현
  - Enhanced ISO 9141, VBAT 기반
  - 최대 20 kbps 속도(EMC로 인해 제한)
  - 싱글 마스터/멀티 슬레이브 개념
  - 중재 필요 없음
  - 공통 UART/SCI 인터페이스 하드웨어 기반의 저비용 칩 구현
  - 크리스털 또는 세라믹 공진기 없이     슬레이브 노드 자체 동기화
  - 하드웨어 플랫폼 비용 대폭 절감
  - 신호 전송 시 대기 시간 보장
  - 예측 시스템 가능

네트워크 된 자동차의
CAN 애플리케이션

자동차에서 CAN 기반 네트워크는 게이트웨이를 통해 서로 연결된다. 일반적으로 파워트레인 애플리케이션은 고속 CAN을 사용하고, 보디 제어 애플리케이션은 저속 CAN을 사용한다. 마이크로컨트롤러는 ECU의 기초이다. CAN 기반 마이크로컨트롤러는 일반적인 자동차에서 평균 약 30ECU를 기록하며 광범위한 가격/성능 범위를 형성하므로 바람직한 선택이라 할 수 있다. 노드 수를 늘리는 데 있어 가장 큰 장벽은 비용이다.
노드 수를 늘려야 하는 환경에서 또 다른 큰 장벽은 ECU의 전력 예산이 줄어든다는 점이다. 일부 ECU는 자동차가 ‘점화 장치 오프(Ignition off)’ 또는 ‘키오프(key-off)’ 상태일 때 작동하도록 정의된다. 이런 유형의 애플리케이션에서 전자 부품, 대표적으로 ECU의 마이크로컨트롤러의 전력 관리 기능은 애플리케이션의 필수적인 기능이다.
온보드 CAN 기능을 갖춘 디바이스의 또 다른 예로는 마이크로칩의 PIC18F 8비트 마이크로컨트롤러와 dsPIC30F 16비트 디지털 신호 컨트롤러 등이 있다. 이 다양한 제품 포트폴리오에는 28~80핀 패키지로 최대 30 MIPS의 솔루션을 제공하는 온보드 플래시 프로그램과 데이터 메모리가 포함되어 있다. 혁신적인 나노와트 기술을 자랑하는 마이크로칩의 전력 관리 컨트롤러를 갖춘 PIC18F4680 마이크로컨트롤러 같은 제품은 타이어 압력 모니터링 시스템의 수신기 모듈과 같이 ‘키오프` 전력이 1 uA 미만으로 제한되어 있는 애플리케이션에 사용하기에 적합한 제품이라 할 수 있다.
이는 ECU가 늘어나는 환경에서는 수신기 모듈이 다기능 수신기 모듈이 되는 경향이 있어 더욱 중요하다. 예를 들어 타이어 압력 모니터링 시스템의 CAN 기반 수신기 모듈은 차량 리모콘(Remote-Keyless-Entry), SKM(Smart-Keyless-Entry) 시스템 또는 스티어링 휠 제어의 수신기 역할도 병행한다.
마이크로칩의 전력 관리용 마이크로컨트롤러는 시스템 효율과 안정성을 극대화하면서 외장 부품을 제거하여 비용을 최소화하는 몇 가지 특성을 제공한다. 설계자는 오실레이터 옵션이 다양하기 때문에 시스템 전력 소모를 효율적으로 관리할 수 있는 재량이 커지고 작동 중에 변화에 대응할 수 있으며 외장 부품을 줄여 시스템 비용을 절감할 수 있다(그림 3).

요약

자동차 전자가 지속적으로 확대되면서 ECU는 네트워크 자동차의 필수 요소가 되었다. CAN이 사실상 표준의 역할을 하면서 LIN과 같은 서브 버스의 역할도 새 모듈에까지 지속적으로 확대되고 있다. 수많은 새로운 모듈들이 처음으로 네트워크에 연결되겠지만 전체 시스템 성능은 향상될 것이다. 또한 다양한 고객의 요구에 부응하는 가운데 전반적인 자동차 성능에 대한 네트워크의 중요성은 점차 커질 것이다. 뿐만 아니라, 시스템 설계자는 CAN 버스나 LIN 버스, 심지어 최근에 생겨난 통신 프로토콜로 시스템 기능 향상을 구현해야 하는 과제에 직면하게 될 것이다. 이러한 시스템 기능 향상을 위해서는 보다 뛰어난 마이크로컨트롤러 성능뿐만 아니라 진보된 아날로그 및 통신 주변장치를 전력 관리 기능이 설치되어 있는 칩에 통합해야 한다. 이러한 자동차 전자와 네트워크 기술의 접목이 보다 안전하고 편리하고 보안이 강화된 자동차를 소비자에게 선사해 줄 것이다.

AEM_Automotive Electronics Magazine