자동차 네트워크 연결을 위한 CAN 신호 변환 게이트웨이 모듈의 설계 및 구현

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1 碩士學位論文 指導敎授姜基好 자동차차체네트워크를위한 CAN 신호게이트웨이설계및구현 A Design and Implementation of CAN Signal Gateway for Automobile Body Networks 韓國技術敎育大學校大學院 메카트로닉스工學科메카트로닉스工學專攻 韓俊洙

2 자동차차체네트워크를위한 CAN 신호게이트웨이설계및구현 A Design and Implementation of CAN Signal Gateway for Automobile Body Networks 이論文을碩士學位論文으로提出함 韓國技術敎育大學校大學院 메카트로닉스工學科메카트로닉스工學專攻 韓俊洙

3 韓俊洙의碩士學位論文을認准함. 審査委員長林材烈印 審査委員成相萬印 審査委員姜基好印 韓國技術敎育大學校大學院

4 자동차차체네트워크를위한 CAN 신호게이트웨이설계및구현 메카트로닉스공학과한준수 지도교수강기호 자동차네트워크는서로다른독립된통신버스시스템으로구성되어있다. 이러한자동차네트워크에서버스상의전자제어유닛간에유용한정보를교환하기위해서는게이트웨이가필요하다. 본논문에서는오늘날다양한산업분야에서분산된전자제어유닛을직렬통신네트워크로연결하는 CAN 통신프로토콜을적용하여자동차네트워크그룹을크게둘로구분하고저속의버스와고속의버스에서메시지를상호변환하도록하는 CAN 신호게이트웨이를설계하여이를구현하였다. 구체적으로는우선, 설계한게이트웨이에는실제차량의엑츄에이터를구동하는두개의노드를연결시켰다. 고속버스로연결되는노드의부하로는도어락닫힘ᆞ열림스위치, 충돌감지스위치를입력으로파워윈도우모터, 램프를출력으로구성하였다. 저속버스에연결되는노드의부하로는램프스위치, 파워윈도우모터상향ᆞ하향스위치를입력으로, 부저와도어락모터를출력으로구성하였다. 게이트웨이는저속과고속의 CAN 네트워크를모두수용할수있도록 CAN 컨트롤러를 2 개내장하고저속결함내성 CAN 트랜시버와고속 CAN 트랜시버로구성되어노드들의메시 i

5 지를상호변환하여해당하는버스로전송하도록하였다. 소프트웨어적으로는게이트웨이의기능을모듈화하여저속ᆞ고속 CAN 신호를중계하는게이트웨이모듈과데이터관리모듈로구성된다. 또한, 설계한 CAN 신호게이트웨이의동작을확인하기위해서 PC 와연결하여네트워크상황을모니터링하는네트워크분석기와버스상에서 CAN 신호레벨로디코딩하는파형분석기를사용했다. 고속버스상의노드와저속버스상의노드가게이트웨이를통해정상적으로메시지교환이이루어지고엑츄에이터가구동되는것을확인하였다. 마지막으로, 송ᆞ수신되는메시지쓰레드를측정하여게이트웨이의시간영역분석을하였다. 메시지트래픽이증가할수록게이트웨이의송ᆞ수신지연이발생되어시스템에악영향을줌을확인하였다. ii

6 감사의글 석사학위논문을쓸수있기까지저를지켜보아주시며물심양면으로많은도움을주신모든분들께이글을통해감사의마음을전해드리고자합니다. 회사에서산학연컨소시엄이인연이되어석사과정동안그리고지금의석사학위논문을쓰기까지저에게항상많은관심과지도를해주시고올바른학문의길로이끌어주신강기호지도교수님께제일먼저감사의마음을전해드립니다. 대학원과정중에지도를해주시고저의학문에밑바탕을만들어주신심사위원성상만교수님, 김광선교수님, 기계정보공학부심훈대우교수님, 그리고전자공학과임재열교수님, 김춘수선생님께감사드립니다. 대학원생활을하면서조언을아끼지않던종원이형, 성원이, 랩실후배민수, 사회에서열심히일하고있는광진이와후배종규, 그리고대학원생활에많은도움을주셨던모든분들께감사의마음을전합니다. 마지막으로석사과정을마치기까지항상옆에서변함없이응원해준아내와더운여름을무사히보내고세상에태어난둘째소희에게감사의선물로이논문을바칩니다 韓俊洙 iii

7 목 차 국문요약 i 감사의글 iii 그림목차 표목차 vii ix I. 서론 1 II. CAN 통신프로토콜의특징 4 1. CAN(Controller Area Network) 프로토콜의개요 2. 메시지충돌검사방식 3. 메시지기반통신 4. CAN 메시지프레임의종류 5. 에러검출방법 (1) CRC Error (2) Acknowledge Error (3) Form Error (4) Bit Error (5) Stuff Error 6. 에러상태 (1) Error-Active (2) Error-Passive iv

8 (3) Bus-Off 7. CAN 비트타이밍 (1) CAN 클래스별비트타이밍설정 (2) 비트타이밍동기화 III. CAN 신호게이트웨이 자동차네트워크에서의게이트웨이의개요 2. 게이트웨이의데이터표현 3. CAN 신호처리 (1) 신호의복사 (2) 신호의정렬 4. 게이트웨이를통한데이터의흐름 (1) 데이터수신 (2) 데이터전송 5. 게이트웨이의프로그램구현 (1) 타이머구조 (2) 신호목적지서술자 (3) 신호서술자 (4) Rx 프레임서술자 (5) Tx 프레임서술자 (6) 노드서술자 6. 게이트웨이알고리즘 (1) CAN 프레임의수신 (2) ID 검색 v

9 (3) 신호복사 (4) CAN 프레임의전송 (5) Rx 와 Tx 타이머취급 1) Tx 타이머처리과정 2) Rx 타이머처리과정 IV. CAN 신호게이트웨이시스템의설계및구현 제안된게이트웨이시스템의개요 2. 게이트웨이하드웨어의설계 3. 제안된알고리즘의소프트웨어구현 4. 게이트웨이메시지 ID 의정의 5. 게이트웨이메시지의측정및분석 (1) CAN 신호메시지의측정 (2) 게이트웨이메시지의측정 (3) 제안된게이트웨이의시간영역분석 1) CAN Rx 쓰레드 2) CAN Tx 쓰레드 V. 결론 54 참고문헌 56 ABSTRACT 58 부록 60 vi

10 그림목차 그림 1. 다중통신방식 그림 2. CAN 프로토콜의계층구조 그림 3. 반송파감지다중액세스 (CSMA/CA) 방식 그림 4. 메시지기반데이터통신방식 그림 5. 기본메시지프레임 (2.0A) 의구조 그림 6. 확장메시지프레임 (2.0B) 의구조 9 그림 7. Bit Stuffing 방식 그림 8. 에러상태도 그림 9. TQ 와 CAN 비트타임주기 그림 10. 노드 1 비트타이밍도 그림 11. 노드 2 비트타이밍도 그림 12. 자동차네트워크시스템의구성 20 그림 13. 신호의복사과정 22 그림 14. 비트스트림정렬과정 그림 15. 데이터수신처리과정 그림 16. 프레임수신알고리즘 29 그림 17. 신호복사알고리즘 그림 18. 프레임전송알고리즘 그림 19. Tx 타이머처리알고리즘 그림 20. Rx 타이머처리알고리즘 그림 21. 게이트웨이시스템의구성 vii

11 그림 22. 데모보드구성요소사진 39 그림 23. 버스인터페이스회로도 40 그림 24. 메시지전송모니터링 44 그림 25. LAMP 신호데이터구성및측정파형 그림 26. CRASH 신호데이터구성및측정파형 그림 27. LAMP 상태에따른파워윈도우업ᆞ다운타이밍도 그림 28. HS INT STATUS 신호데이터구성및측정파형 그림 29. CRASH 상태에따른도어락닫힘ᆞ열림동작타이밍도그림 30. LS PT STATUS 신호데이터구성및측정파형 그림 31. 노드별게이트웨이메시지전송상태 그림 32. Rx 서술자테이블의사이즈별최대 ID 탐색시간 그림 33. 신호복사실행시간 그림 34. 게이트웨이회로도 60 그림 35. 노드 1 회로도 그림 36. 노드 2 회로도 그림 37. CAN 게이트웨이데모보드 61 viii

12 표목차 표 1. 클래스별비트율과비트타이밍레지스터설정값 표 2. 타이머구조정의 표 3. 신호목적지서술자구조정의 표 4. 신호서술자구조정의 표 5. Rx 프레임서술자정의 표 6. Tx 프레임서술자정의 표 7. 노드서술자정의 표 8. ID 검색함수 표 9. 게이트웨이시스템의입ᆞ출력구성 표 10. 게이트웨이메시지 ID 의구성 표 11. 게이트웨이메시지파라메터그룹번호정의 표 12. 게이트웨이 CAN 메시지의구성 표 13. 게이트웨이프로그램의시간영역분석제한조건 표 14. 프레임전송상태에따른실행시간 표 15. TxEmptyIsr 인터럽트서비스루틴의실행시간 ix

13 I. 서론 CAN(Controller Area Network) 은 1986 년독일의로버트보쉬 (Bosch) 에의해개발된직렬버스네트워크시스템이다 [1]. 벤츠 (Daimler-Benz) 사가 500[kbit/s] 의 CAN 에기반한엔진관리시스템을적용한이후에자동차제조사들은차량바디전자제어유닛들을연결하는 CAN 을기반한멀티플렉스 (Multiplex) 시스템을승용차에적용하고있다 [2]. 오늘날은상용차의대부분이차량내모듈의증가에따른와이어의수, 무게의증가및와이어링제작과조립의복잡함을감소시키기위해 CAN 네트워크에기반한멀티플렉스통신방식으로전자제어네트워크시스템을설계하는것이보편화되었다. 반도체회사에서제조된 CAN 컨트롤러의약 80% 이상이장착될정도로가장많이활용되는분야가자동차이다. 또한반도체제조사들은자동차회사의꾸준한요구에따라 CAN 프로토콜을만족하도록설계하고수요에충족되도록생산량을지속적으로증가시켜가격을내리고있다 [3]. CAN 네트워크는여러전자제어유닛을강인한직렬통신으로연결하는자동차의파워트레인부의응용들에주로사용되고있다. 일반적으로, CAN 은멀티마스터 (Multi-master) 기능성과실시간 (real-time) 성능을제공하여마이크로컨트롤러에기반한서브시스템이나장치들간에통신이가능하다. CAN 은에러검색방법과오류제한을충족시키는고유한특징들로인해선으로제어되는응용분야에서안전성을더욱요구하는곳에적합하다. 특히네트워크연결시오류내성을요구하는곳에 1

14 는대부분 ISO 에일치하는저속의 CAN 트랜시버를채용한다. 또한현재는승용차의표준화된진단인터페이스로 1 개이상의 CAN 진단노드를필수적으로구비하고있다. 자동차에서 CAN 네트워크는 3 개의클래스로구분된다. 클래스 A 네트워크들은전자부트작동기, 전동거울조정장치, 비탐지, 썬루프, 기상관리등과같은편의기능또는고급기능들에일반적으로사용되며 10[kbit/s] 미만으로작동한다. 클래스 B 네트워크들은파워윈도우, 좌석조절장치, 계기같은정보의일반적인전송을담당하고 10[kbit/s] 에서 125[kbit/s] 정도로작동한다. 클래스 C 네트워크들은파워트레인, 안정성제어 (ABS, 견인제어, 액티브서스펜션 ), 엔진관리, 변속과같은정보의빠른응답시간또는전송이필요한모든응용에서사용되고 125 [kbit/s] 부터최대 1[Mbit/s] 로작동한다 [9]. 차량내의네트워크는네비게이션이나이동통신같은최신의고기능에서부터 CAN 통신같은중ᆞ저속의직렬버스에이르기까지서로다른독립된통신버스시스템으로구성되어있다. 이렇듯독립된버스는몇가지이유로개별적인차량네트워크시스템에서사용된다. 시스템에다양한통신속도요구와호환되지않는물리계층, 보안을위한버스의물리적인분리, 불필요한통신량을줄이기위해버스를물리적으로분리하여적은정보를공유하기위해사용된다 [5]. 본논문에서는자동차의서로다른 CAN 클래스사이에서각각의시스템이요구하는정보를적시에받도록하기위한게이트웨이를설계하고구현하였다. 클래스 B 와클래스 C 를대표하는자동차의파워트레인과인테리어노드를선정하여다른두버스사이의정보를변환하여서로교환할수있도록구성하고이를하드웨어및소프트웨어로설계하였 2

15 다. 그러나, 자동차전자제어유닛간에네트워크환경을그대로구현하기보다 CAN 의신호교환을위한게이트웨이를구현하였다. 구체적으로, 설계한노드의 CAN 통신신호를실제버스상에서파형분석기를통해디코딩하였으며, 차량용 CAN 통신네트워크분석기를통해노드상태를실시간진단하고메시지프레임을분석하여서로다른클래스사이의 CAN 신호를정상적으로교환하는게이트웨이가구현되었음을확인하였다. 또한실제네트워크버스를구성하여노드에부하를장착한결과, 게이트웨이를경유하여개별노드의엑츄에이터가정상적으로동작되었다. 3

16 II. CAN 통신프로토콜의특징 1. CAN(Controller Area Network) 프로토콜의개요 1986 년자동차내의서로다른세개의전자장치 (ECU : Electronic Control Unit) 간의통신을위한통신장치개발을자동차업체인벤츠 (Daimler-Benz) 의요구에의하여독일의로버트보쉬 (Bosch) 에의해최초로개발되었다 [1]. 초기에는 UART 방식을고려하였으나일대일 (Point To Point) 통신방식이기에서로다른여러개의 ECU 간의통신방식으로는적합하지않아다중통신 (Multi Master Communication) 방식이필요하게되어 CAN 이탄생하게되었다. 그림 1. 다중통신방식 1995 년 CAN 통신프로토콜의버전 2.0B 가발표되기까지통신속도는버전 1.0 프로토콜에 8 배이상증가된 1[Mbit/s] 가되었다 [2]. CAN 통신프로토콜은 OSI 참조모델의 7 개계층에서물리계층 (Physical Layer) 과데이터링크계층 (Data Link Layer) 을표준으로 4

17 하고나머지상위층은유동성을위해응용계층 (Application Layer) 으로남겨둔다. 그러나, 정보처리상호운용을편리하게하기위하여국제표준화기구 (ISO) 와자동차엔지니어사회 (SAE) 에서 2 개의낮은계층모두를지정하고인터페이스매체정의를포함하는 CAN 에근거한프로토콜을정의했다. ISO11898 는고속통신용, ISO11519 는저속통신용을위한기준이고, J1939 는트럭과버스응용을위한 CAN 통신표준으로제정했다 [4]. 이 3 가지프로토콜모두물리적인인터페이스로 5[V] 차동전기버스를지정한다. OSI 프로토콜은나머지상위층을시스템소프트웨어개발자에의해실행되도록남겨두었다. 더높은층의프로토콜 (HLPs) 로는 CiA, CANOpen, CAN kingdom, DeviceNet 과같은프로토콜들이있으며, 일반적으로 OSI 참조모델의상위 5 개층을실행하기위하여이용되며다음가같은목적을지양한다. - 사용되는비트율을포함한개시절차의표준화 - 통신에참여하는노드또는메시지유형사이에주소분배 - 메시지의구조를결정하고시스템레벨오류에대한일괄처리 그림 2. CAN 프로토콜계층구조 5

18 2. 메시지충돌검사방식 CAN 통신프로토콜은충돌회피를사용하는반송파감지다중액세스 (CSMA/CA : Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식이다. CSMA 는네트워크에있는각노드가버스에메세지전송을시도하기전에아무런활동이없는기간동안버스를감시하는것을의미한다. 즉, 이러한기간동안버스의각노드에는메시지를전송할균등한기회가발생한다. 네트워크에 2 개의노드가동시에전송을시작하는경우에, 노드의메시지충돌을검출하고적합한행동을행한다. CA 는 CAN 통신프로토콜의메시지중재방법은비파괴적인비트방식 (BNDA : Bitwise Non-Destructive Arbitration) 을사용한다. 비록충돌이검출되더라도중재가완료된후에는메시지가본래대로된다. CAN 통신은우성 (Dominant) 비트로로직 0 과열성 (Recessive) 비트로로직 1 을정의한다. 우성비트상태는항상열성비트상태보다중재과정에서우선한다. 메시지우선순위에의한중재방식 (AMP: Arbitration by Message Priority) 으로메시지 ID 가더낮은값일수록메시지우선순위가더높다. 6

19 그림 3. 반송파감지다중액세스 (CSMA/CA) 방식 3. 메시지기반통신 CAN 통신은메시지에기반한프로토콜이다. 이것은메시지가한노드에서다른노드로전송될때주소에근거하지않는다는것을의미한다. 전송될데이터의내용과우선권은 CAN 메시지자체에포함된다. 시스템에있는모든노드는버스에전송된모든메시지를수신하고제대로수신된경우에는긍정응답을한다. CAN 통신프로토콜의유용한특징은다른노드에서정보를요구하는노드를위한리모트전송요구 (Remote Transmission Request) 이다. 이것은특정노드가정보를보내기를기다리는대신에, 이노드가특정자료를보낼것을요구하기때문에보통의메시지전송과는다르다. 메시지기반한프로토콜의추가적인이점은다른노드를인식하도록하기위하여프로그램을전부를다시만들필요없이시스템에추가할수있다는것이다. 이새로운노드는메시지 ID 에근거하여네트워크로부터메시지를수신하고, 얻어진정보를수행하거나버릴지를결정한다. 그림 4. 메시지기반데이터통신방식 7

20 4. CAN 메시지프레임의종류 CAN 통신프로토콜은 4 가지의다른유형의메시지프레임을정의한다. 프레임의첫번째, 일반적인유형은데이터프레임 (Data Frame) 이다. 이것은한노드가시스템에있는모든노드로정보를전달할때사용된다. 둘째로는리모트전송요구, 약어로 RTR (Remote Transmission Request) 비트를가진데이터프레임에기반한리모트프레임 (Remote Frame) 이다. 나머지 2 가지의프레임유형은에러취급을위한에러프레임 (Error Frame) 과오버로드프레임 (Overload Frame) 이다. 에러프레임은 CAN 통신프로토콜에의해정의된많은에러중에하나가검출된노드에의해생성된다. 오버로드에러는이미수신된메시지를처리하는시간을더요구하는노드에의해생성된다. 그림 5. 기본메시지프레임 (2.0A) 의구조 CAN 통신프로토콜에의해정의되는데이터프레임은메시지에관하 여추가적인정보를제공하는중재필드 (Arbitration Field), 제어필드 (Control Field), 데이터필드 (Data Field), CRC 필드 (Cyclic 8

21 Redundancy Check Field), 응답필드 (Acknowledgement Field), 프레임의끝 (End of Frame) 으로구성된다. 중재필드는버스에서메시지우선순위를정하는데이용된다. CAN 통신프로토콜은열성상태로로직 1 을정의하기때문에, 중재필드에서더낮은 ID 번호일수록버스에서더높은우선순위를갖는다. 중재필드는 12 비트 (11 개의 ID 비트및 1 개의 RTR 비트 ) 또는 32 비트 (29 개의 ID 비트, 확장데이터프레임으로메시지를정의하는 1 비트, 사용되지않는 SRR (Substitute Remote Request) 비트, RTR 비트 ) 로이루어져있다. 그림 6. CAN 확장메시지프레임 (2.0B) 의구조 CAN 통신프로토콜의버전 2.0B 는, 29 비트 ID 를정의하고확장프레임이라부른다. 이전버전은표준프레임으로불리는 11 비트 ID 를정의했다. RTR 을수행하기위한리모트프레임은요구된데이터프레임의 ID 로보내진다. 중재필드에있는 RTR 비트는리모트프레임과데이터프레임사이를구분하기위하여이용된다. RTR 비트가열성이면메시지는리모트프레임이고, RTR 비트가우성이면메시지는데이터프 9

22 레임이다. 제어필드는 6 개비트로이루어져있다. MSB (Most Significant Byte) 는표준데이터프레임을위해우성인 IDE 비트이다. 이비트로메시지가표준또는확장프레임인지를결정한다. 확장프레임에서는 RB0, RB1 비트로그값이예약된다. 4 개 LSB(Least Significant Bit) 는데이터길이부호 (DLC ; Data Length Code) 비트로얼마나많은바이트데이터가메시지에서포함되는지결정한다. 리모트프레임에는 DLC 비트의값에관계없이데이터필드가없다. 데이터필드는제어필드의 DLC 비트에서기술된수만큼의바이트데이터가구성되어있다. CRC 필드는 15 비트필드및구분자로이루어져있고, 전송에러가발생하는지를결정하는수신노드에서사용된다. 응답필드는메시지가정확하게수신되었는지나타내기위하여사용된다. 정확하게메시지를수신한노드는 ACK 슬롯비트시간에버스로우성비트를보낸다. 마지막 2 개의메시지유형은에러프레임과오버로드프레임이다. 노드에서에러유형중최소한하나가검출될때, 에러프레임이발생한다. 오버로드프레임은노드가추가적인메시지를수신할준비가되어있지않거나, 휴지기가위반되었다는것을네트워크에알린다. 5. 에러검출방법 CAN 통신노드에는메시지충돌에대한과도상태와결함상태를결정하는기능이있다. 노드는정상적으로메시지송수신을하다가에러가검출될때에는버스를완전히다운시킬수있다. 이특징을결함제한 (Fault Confinement) 이라고한다. 결함이있는노드가네트워크를다 10

23 운시키기전에노드를꺼버려결함노드를제한시키기때문에결함이 없는노드는네트워크대역폭을전부독점할수있다. 이러한결함제한 은중요시스템정보를위한대역폭을보장한다. (1) CRC Error 15 비트순환중복검사 (Cyclic Redundancy Check) 값은전송노드에의해산출되고이값은 CRC 필드를통해전송된다. 동일네트워크의모든노드는이메시지를수신하고, CRC 값을산출하여일치하는지여부를확인한다. 값이일치하지않을경우에, 최소 1 개이상의노드에서 CRC 에러가발생하고에러프레임을생성한다. (2) Acknowledge Error 메시지응답필드에서전송노드는열성비트로보낸응답슬롯이우성비트를포함하는지를검사한다. 이우성비트는적어도 1 개의노드가정확하게메시지를수신했다는응답이다. 이비트가열성인경우에에러프레임은생성되고원래메시지는적당한휴지기간후에반복된다. (3) Form Error 어떤노드가메시지의뒤에오는 4 개의세그먼트 ( 프레임의끝, 프레 임간공간, ACK 구분자또는 CRC 구분자 ) 중에한개에우성비트를 검출하는경우, CAN 통신프로토콜이정의하는메시지위반유형과에 11

24 러유형이생성된다. 원래메시지는적당한휴지기간후에재전송한다. (4) Bit Error 비트에러는전송기가우성비트를보내고열성비트를검출하는경우에발생한다. 전송기가열성비트를보내고중재필드또는응답슬롯동안버스에서우성비트가감지되는경우에는, 정상적인중재또는수신확인이생기고있기때문에비트오류는생성되지않는다. 비트오류가검출되는경우에는, 에러프레임이생성되고원래메시지는적당한휴지기간후에다시전송한다. (5) Stuff Error CAN 통신프로토콜은 NRZ (Non-Return-to-Zero) 전송방법을사용한다. 또한 CAN 통신은비동시적이고, 비트삽입은자료열에서클럭정보를복구해서동기화된노드가수신을허용할때가능하다. 특히동일한극성의비트가연속적으로 5 개이상발생하는경우에는자료열에반대극성 1 비트를자동으로채운다. 수신노드는동기화를위해 Stuff 비트를사용하나자료로서는이를무시한다. 프레임의시작과 CRC 구분자사이에서동일한극성을가진 6 개의연속적인비트가검출되는경우에 Stuff 에러가발생한다. 12

25 그림 7. Bit Stuffing 방식 6. 에러상태 검출된에러는에러프레임또는오류플래그를통해모든노드로보내진다. 이때메시지전송은중지되고우선순위메시지가네트워크에서중재를이기자마자다시전송을시작한다. 전송이중지된노드의에러상태는다음의 3 가지중한가지이다. (1) Error-Active 능동에러상태의노드는 6 개의연속적인우성비트로이루어져에러에코플래그 (Error Echo Flag) 라고칭한에러플래그 (Error Flag) 를전송하게된다. 능동에러플래그및연속적인에러에코플래그는버스에최대 12 개의연속적인우성비트를발생하도록하는원인이된다. 노드는전송오류계수기 (TEC) 와수신오류계수기 (REC) 값이모두 128 개미만에서정상적인연산모드에있고, 금지없이메시지전송과수신을허용한다. 13

26 (2) Error-Passive 노드는전송오류계수기나수신오류계수기가 127 을초과할때수동에러상태가된다. 수동에러상태의노드는버스에능동오류플래그를전송하는것이허용되지않는대신, 6 개의열성비트로이루어져있는수동에러플래그를전송한다. 수동에러상태의노드가현재버스에유일한전송기인경우에는, 비트삽입규칙을위반하여수동에러플래그가발생하고응답노드는그들자체의오류상태에의한능동혹은수동에러플래그로응답한다. 수동에러상태의노드가수동에러플래그를전송하고우성비트가검출되기전에는버스를유휴상태로본다. (3) Bus-Off 전송오류계수기값이 255 보다클때노드는버스유휴상태로들어간다. 이상태를결함제한상태라하는데, 노드는메시지수신, 응답, 에러프레임전송을할수없게된다. 버스의회복순서는노드에서버스유휴상태를허용하고, 능동에러상태로돌려보낸후결함상태가제거되는경우에메시지재전송을시작한다. 그림 8. 에러상태도 14

27 7. CAN 비트타이밍 CAN 비트타임은 SyncSeg, PropSeg, PhaseSeg1, PhaseSeg2 로된비중복세그먼트를개별요소로하고, 세그먼트의각부분은 Time Quanta (TQ) 라불리는오실레이터기간에근거한시정수단위로구성된다. Nominal Bit Rate (NBR) 은재동기화가없는이상적인송신기에의해전송되는시간당비트의수로 Nominal Bit Time (NBT) 또는 t bit 와의관계는아래와같다. 2 BRP TQ = 2 BRP TOSC =, BRP F 1 NBR = fbit = t bit OSC t = t + t + t + t bit SyncSeg PropSeg PS1 PS 2 :1~ 64 (2-1) 그림 9. TQ 와 CAN 비트타임주기 15

28 - Synchronization Segment (SyncSeg) 버스상에노드들의동기화에사용되고비트에지는 SyncSeg 이내에서발생된다. - Propagation Segment (PropSeg) 노드사이에서물리적지연을보상하기위해존재하며, 전달지연은버스라인상의신호전달시간의합의두배로정의한다. - Phase Segment 1, Phase Segment 2 버스에서에지위상에러에대한보상을위해사용되며, PS1 은길어질수있으나 PS2 는재동기화에의해상대적으로짧아진다. - Sample Point 샘플포인트는읽어들이고해독하는로직레벨의비트타임위치이다. 통상샘플포인트는 PS1 의끝에서한번위치되나추가적인두번의샘플은 PS1 의끝지점이전에 1TQ 절반에발생하여과반의판정에의해결정되는비트의값으로표본화된다. - Synchronization Jump Width (SJW) : 1 ~ 4 TQ 전송된메시지와동기화를유지하기위한비트클럭을조절한다. 마이크로컨트롤러의비트타이밍컨트롤레지스터를설정시요구되는 몇가지사항들이다. PropSeg + PS1 PS1 PropSeg + PS1 t PROP PS2 > SJW (2-2) 16

29 (1) CAN 클래스별비트타이밍설정 본논문에서비트타이밍동기화를손쉽게유지하도록 CAN 클래스 별통신속도와실제 CAN 컨트롤레지스터설정값을정리한표이다. 표 1. 클래스별비트율과비트타이밍레지스터설정값 Class Class C Class B Bit Rate (kbit/s) Max. Distance (m) CAN Bit Timing Control Register CNF1 CNF2 CNF h 90h 02h h 90h 02h h 90h 02h h 90h 02h h 90h 02h h 90h 02h h 90h 02h CAN 클래스 B 와클래스 C 중에서데모시스템의노드별통신속도를선정한 CAN 비트타이밍이다. 공통사항으로는 Fosc = 16 [Mhz] (Tosc = 62.5 [ns]), SyncSeg = 1 TQ, PropSeg = 1 TQ, PhaseSeg1 = 3 TQ, PhaseSeg2 = 3 TQ, SJW = 1 TQ 이다. 100[kbit/s], BRP<5:0>=09h, TQ=1.25[s] 그림 10. 노드 1 비트타이밍도 17

30 500[kbit/s], BRP<5:0>=01h, TQ=250[ns] 그림 11. 노드 2 비트타이밍도 (2) 비트타이밍동기화 비트타이밍동기화를위해동일 NBR, 위상전이, 오실레이터허용 오차 (Tolerance) 를고려하는데몇가지규칙은다음과같다. - 열성에서우성으로떨어지는에지만을동기화에사용한다. - 한비트타임내에한번의동기화만이허용된다. - 동기화에사용되는에지는이전샘플포인트의값과에지이후에버스상의값이다를경우이다. - 전송중인노드는양성위상에러 (e > 0) 에서는재동기화가되지않는다. 송신기는자체의전송된메시지전달지연때문에재동기화를하지않음을의미한다. 반면수신기는일반적으로동기화한다. - 위상에러의절대크기가 SJW 보다크면, 적당한위상세그먼트의크기는 SJW 와동등하게조절된다. 전달지연은물리적버스상의신호일주시간 (t bus ), 출력드라이버의 지연 (t drv ), 입력비교기의지연 (t cmp ) 으로인해발생하는데이들사이의 관계식은아래와같다. 18

31 t = 2 ( t + t +t ) (2-3) prop bus cmp drv 느린노드와빠른노드사이에 SJW 를최소로정하기위해오실레이터허용오차를계산한다. 비트 stuffing 규칙에서예외는열개의비트를포함하는메시지의끝에존재하는데 1 개의 ACK 구분자, 7 개의프레임의끝비트, 3 개의프레임간공간비트이다. 이로인해최대 10 비트사이에서재동기화가일어난다. 비트타임이긴노드를속도가느린노드 1 로정하고, 비트타임이짧은노드를속도가빠른노드 2 로정했을때, 노드간오실레이터허용오차관계식은아래와같다. 10t > 10t + t (2-4) bit(1) bit(2) SJW (2) 일반적으로버스가정상동작하는동안에동기화를유지하기위한오 실레이터허용오차관계식은아래와같다. SJW > (2 Δf )(10 NBT) Δ f < SJW /20NBT (2-5) 19

32 III. CAN 신호게이트웨이 1. 자동차네트워크에서의게이트웨이의개요 현재의주요자동차기술들은분산시스템에서네트워크시스템으로발전해왔다. 다양한차량전자시스템은다른네트워크기술을사용하는데, 그중에 CAN 프로토콜이여러네트워크시스템의중심이되었다 [5]. 개별적인차량시스템에서독립된버스로구성된네트워크는시스템에다양한통신속도요구와호환되지않는물리계층, 보안을위한버스의물리적인분리, 불필요한통신량을줄일수있도록버스를분리하여적은정보를공유하기위해사용된다. 그러나자동차의다른버스들사이에서모든시스템이요구하는정보를호환되는형태로변환하여적시에교환하는게이트웨이가필요하다. 예를들면, 차량속도신호는엔진제어시스템뿐만아니라운전자에게알리기위한계기판시스템으로도전송되어야하는데중간에게이트웨이가이러한역할을한다. 그림 12. 자동차네트워크시스템의구성 20

33 2. 게이트웨이의데이터표현 게이트웨이는다른버스들사이에서정보의형태를변환하여표현한다. CAN 통신프레임은최대 8 바이트까지전송하는데, 게이트웨이의단순한목적은한쪽버스에서프레임을수신하여다른버스로전부재전송하는것이다. 이과정을메시지게이트웨이또는 1:1 프레임전송이라한다 [5]. 3. CAN 신호처리 메시지게이트웨이는목적지의노드에서원래의프레임을변형없이처리하는경우에효율적으로사용할수있다. 정보의일부분은그자체를프레임으로전송하지않는다. 보통의정보는단일프레임에더많은데이터를집약하여전송한다. 목적지의노드에서 8 바이트프레임에서단지 1 바이트의정보만을필요로한다면나머지 7 바이트는불필요하게전송되고목적지버스에거짓된부하일뿐이다. 메시지프레임에서정보의일부분들을신호라하고 1 비트와최장 64 비트사이가된다. (1) 신호의복사 게이트웨이의임무는수신된프레임으로부터요구된신호를뽑아내서새로운프레임형태로다시묶어목적지버스로전송하는것이다. 그림은게이트웨이가 4 바이트소스 (Rx) 프레임으로수신된신호비트를목적하는프레임으로변형하여 3 바이트목적지 (Tx) 프레임에신호를보사하는과정을나타낸다. 21

34 그림 13. 신호의복사과정 (2) 신호의정렬 마이크로프로세서는내장메모리의멀티바이트실체에접근하는방식이가장낮은주소부터 MSB (Most Significant Byte) 를저장하는구조인반면, 게이트웨이는가장높은주소부터 MSB 를저장한다. 비트순서정렬과정을통해서로반대로뒤집어마이크로프로세서의메모리에배치한다. 그림 14. 비트스트림정렬과정 22

35 4. 게이트웨이를통한데이터의흐름 (1) 데이터수신 어떤노드가데이터프레임을수신할때마다게이트웨이는그프레임이처리될지를점검한다. 수신된프레임이더처리되어야하는경우에는, 게이트웨이는신호정보를찾아본다. 이것은수신된프레임에포함된개별신호의위치와크기를포함한다. 수신된프레임에서신호의정보가확인된후에, 게이트웨이는신호복사과정을시작한다. 이것은 Rx 버퍼에서신호를전송할준비가되어있는목적지 Tx 버퍼로신호를복사한다. 각신호에는 1 개이상목적지가있을수있고게이트웨이는수신된프레임의사본을유지하지는않는다. Rx 프레임에서모든신호가 Tx 버퍼로복사된후에, Rx 프레임의내용은버려진다. 정상적인상황하에게이트웨이에서처리된프레임의대다수는버스에정기적으로나온다. 시스템오버로드나실패는프레임의수신을정지시킨다. 그림 15. 데이터수신처리과정 23

36 Rx 프레임을처리하기위해정의된 2 종류의타임아웃 (Timeouts) 이있다. 첫번째타임아웃이후에게이트웨이는프레임의수신이늦다는것을인식하고 Tx 버퍼에저장된신호의값이구식으로되어잠재적으로부정확하다는것을인식하게한다. 이것을나타내기위해서게이트웨이는 Tx 버퍼에한개의비트신호, 플래그를설정해놓는다. 프레임의수신없는두번째타임아웃이후에프레임소스가게이트웨이의요구에응답하기에중요한어려움이있는지를판단한다. (2) 데이터전송 게이트웨이는대부분의 Tx 프레임을정기적으로전송한다. 전송은수신과는독립적인과정으로진행되는데게이트웨이는모든전송프레임을최신사본으로유지한다. 게이트웨이는각각의 Tx 프레임에타이머를가지고있고타이머가만료되면프레임전송을시작한다. 신호들이다음타이머만료를기다리지않고전송되어야할경우에게이트웨이는신호가수신되어처리되자마자 Tx 프레임을전송할수있게한다. 다음번전송을기다리지않고바로신호를전송하는것이중요할경우에는신호의값만바꾼다. 게이트웨이는신호의어떤값이바뀐후에 Tx 프레임을전송할경우의선택사항을지원한다. 프레임전송은신호가변화된값이있든없든지간에신호수신이후에만일어나게할수있다. 게이트웨이는한개이상의프레임이동시에전송되도록각각의노드에대한전송대기열을유지한다. 24

37 5. 게이트웨이의프로그램구현 (1) 타이머구조 Rx, Tx 타이머를위한구조로 8 비트다운카운터와 8 비트리로드 (reload) 값으로구성된다. unsigned char load_value; unsigned char counter; 표 2. 타이머구조정의 (2) 신호목적지서술자 신호목적지서술자는어떤 Tx 버퍼의위치로신호가복사될지에대한정보를갖고있다. 6 비트 long 형으로 0 에서 63 의신호비트위치를정의하고, 프레임참조수는 10 비트 long 형으로 1024 Tx 버퍼까지허용한다. unsigned int frame_no:10; unsigned int position:6; 표 3. 신호목적지서술자구조정의 (3) 신호서술자 신호서술자구조는수신되는신호에대한정보를갖고있다. 신호의 25

38 Rx 버퍼에서의위치, 비트크기, 신호가수신되자마자복사되어야할목 적지의수를비트값으로정의한다. 표 4. 신호서술자구조정의 unsigned int position:6; unsigned int size:6; unsigned int dests_no:4; (4) Rx 프레임서술자 Rx 프레임서술자는수신되는프레임을서술하며프레임 ID, 데이터사이즈, Rx 타이머프리스케일러와 Rx 타이머, 신호의수와첫번째신호서술자에대한포인터, 타임아웃실패지시자인에이블 (Enable) 과위치, 타임아웃카운터와리로드 (Reload), 바이트복사지시자로구성된다. 배열로메모리에저장된 Rx 프레임서술자의검색알고리즘은오름순으로배열을정렬한다. 첫번째는수신된프레임의노드의수, 두번째는프레임 ID 를순위로정렬한다. 표 5. Rx 프레임서술자정의 unsigned int ID:11; unsigned int RxTimerPrescaler:5; tsignaldescr * psignaldescr; unsigned int DataSize:4; unsigned int SignalCount:8; ttimer RxTimer; unsigned int byte_copy:1; unsigned int RxToutFailEn:1; unsigned int RxToutFailPos:6; unsigned int RxToutReload:4; unsigned int RxToutCnt:4; 26

39 (5) Tx 프레임서술자 Tx 프레임서술자는전송하는프레임을서술하며프레임 ID, 노드수, Tx 타이머프리스케일러와 Tx 타이머, 데이터사이즈, 신호수신지시자에대한즉시전송, 신호값변화지시자에대한즉시전송, 전송스케줄지시자로구성된다. 표 6. Tx 프레임서술자정의 unsigned int ID:11; unsigned int node:2; ttimer TxTimer; unsigned char * Data; unsigned int TxTimerPrescaler:5; unsigned int DataSize:4; unsigned int TxonRx:1; unsigned int TxonDataChg:1; unsigned int TxScheduled:1; (6) 노드서술자 노드서술자는메시지프레임이송수신되는개개의노드들을서술하며주변어드레스, 첫번째 Rx 프레임서술자에대한포인터, 해당노드가포함된프레임지시자의수, 주변노드유형, 전송대기열포인터, 첫번째항목의목록, 첫번째빈슬롯의목록, 대기열크기로구성된다. 27

40 unsigned int periph_addr; trxfrmdescr* rx_idx_start_p; unsigned int rx_idx_cnt; unsigned char periph_type; unsigned char TxBufferAdd; unsigned char TxBufferTake; unsigned char TxBufferSize; ttxfrmdescr** TxBufferSize; unsigned int TxScheduled:1; Enum periph_types { MsCan }; 표 7. 노드서술자정의 6. 게이트웨이알고리즘 초기의중요한인터럽트처리로는 MSCAN Rx interrupt, MSCAN Tx buffer empty interrupt, Gateway timing interrupt 로서이를기반 으로한게이트웨이알고리즘이다. (1) CAN 프레임의수신 버스상에서프레임은비동기적으로수신된다. 게이트웨이는특정한순서, 시간에수신된특정한프레임에대해서는응답할수없다. 유일한식별방법은수신된프레임의 ID 이다. 수신된프레임에서정보를찾기위한처음단계는 Rx 프레임서술자에대한게이트웨이데이터베이스를찾는것이다. 데이터베이스에프레임에대한정보가없다면, 더이상진행하지않고실행을마친다. 다음으로 Rx 프레임서술자에서일치하는 28

41 ID 가발견되면, 수신된프레임의데이터크기를검사한다. 프레임이예상된바이트의수보다적다면무효프레임처리루틴이호출되고더이상진행되지않는다. 데이터크기검사를한후에게이트웨이는 Rx 타이머를다시추가한다. 프레임에대한실패지시자가활성화되면그것을소거시키고데이터는개별신호로나뉘어목적지로복사된다. 그림 16. 프레임수신알고리즘 29

42 (2) ID 검색 현재수신된프레임과일치하는 ID 를가진 Rx 프레임서술자를찾는 다. 2 진검색알고리즘이배열요소정렬의기반으로하여 Rx 프레임 ID 를오름차순으로정렬한다. 표 8. ID 검색함수 trxfrmdescr *RxFindFrmId (int FrmId, tnodedescr *node) { trxfrmdescr *base = (node -> rx_idx_start_p); int i; int result; trxfrmdescr *p; for(i = node->rx_idx_cnt; i!= 0; i >>= 1) { p = base + (i >> 1); result = FrmId - ( p->id ); if ( result == 0 ) return(p); if ( result > 0 ) { base = p + 1; i--; } } return (NULL); } (3) 신호복사 신호복사루틴알고리즘은두개의포개진루프로구성된다. 모든신호들을통하는외곽루프사이클은소스데이터에존재한다. 모든신호에대해서내부루프사이클은프레임의모든목적지를통한다. 개별신호목적지에대해서는신호는소스데이터버퍼로부터얻어지고목적지 Tx 버퍼로복사된다. 30

43 그림 17. 신호복사알고리즘 (4) CAN 프레임의전송 프레임전송은해당프레임을물리적으로전송하지않고, 전송대기열순서로진행되고포인터를적절한대기열의프레임서술자에삽입한다. 루틴이실행될때, 전송예약플래그가한번이상전송대기열로들어갈수없도록하기위해전송예약된프레임인지를확인한다. 전송이되면, 신호는최신의이용가능한값을포함하게된다. 예약된프레임으로표시된후에는, Tx 프레임서술자의포인터를적절한노드의전송대기열의버퍼로삽입한다. 버퍼의크기는모든노드의프레임을수용할수있도록충분한공간으로정하고, 버퍼대기열이과다가되지않도록한번에모든프레임의전송일정을관리한다. 31

44 주기적인전송일경우에는새로운주기를시작하는 Tx 타이머를다시시작한다. 프레임이전송예약이되거나실제는전송이되지않아도타이머는다시시작한다. 현재주변장치가유휴상태이면, 전송과정의마지막단계로실제전송이이루어진다. 전송할프레임이더이상없을때, 인터럽트서비스루틴은 Tx buffer empty interrupt 를불능으로한다. 그림 18. 프레임전송알고리즘 32

45 (5) Rx 와 Tx 타이머취급 게이트웨이의부하를줄이기위해, 인터럽트신호에대해마이크로프로세서의하드웨어타이머는일정한 10[ms] 주기로실행한다. 타이머의프리스케일러값은게이트웨이가요구하는일정한전송주파수와사용자가판독하기쉬운수신종료시간을기준으로설정한다. 보통의경우에는타이머가실행되는기간에는타이머값이 0 이되지않고타이머값이감소하여 0 이되면만기가되어개별 Tx 타이머, Rx 타이머를실행한다. 1) Tx 타이머처리과정 Tx 타이머는 CAN 프레임의주기적인전송에사용된다. 모든 Tx 타 이머는루프로되어순차적으로실행되는데, Tx 타이머가만료되었을 때타이머가포함된프레임은다음전송을예정한다. 33

46 그림 19. Tx 타이머처리알고리즘 2) Rx 타이머처리과정 Rx 타이머는 CAN 프레임수신과정에서기간만료를탐지하는데쓰인다. Rx 타이머처리과정은두가지기간만료동작을처리하기때문에 Tx 타이머보다는더복잡하다. Rx 타이머가만료될때마다이전지시자는고정되고적당한기간이만료되면카운터가감소한다. 카운터가 0 이되면기간만료처리루틴이호출된다. 34

47 그림 20. Rx 타이머처리알고리즘 35

48 IV. CAN 신호게이트웨이시스템의설계및구현 1. 제안된게이트웨이시스템의개요 자동차네트워크시스템은서로다른통신속도의 CAN 버스클래스가존재한다. 파워윈도우, 좌석조절장치, 계기같은클래스 B 네트워크들은 10[kbit/s] 에서 125[kbit/s] 의중저속인반면, 파워트레인, 안전성제어, 엔진관리, 변속같은실시간제어를요하는클래스 C 네트워크에서는 125[kbit/s] 부터최대 1[Mbit/s] 로작동한다. 본논문에서다룬게이트웨이시스템에서는자동차환경에서쓰이는 CAN 네트워크클래스 B, 클래스 C 시스템의일부를 CAN 노드로 구현하였다. CAN 게이트웨이시스템은모두 6 개의기능모듈로 구성하여 100[kbps] 의저속 CAN 버스에연결된노드 1 블록과 500[kbps] 의고속 CAN 버스에연결된노드 2 블록이게이트웨이를 통해서로연결된구성을가지고있다. 그림 21. 게이트웨이시스템의구성 36

49 일반적인 CAN 컨트롤러는자신이보내는메시지는자신이다시받지않는다. 그렇기때문에각모듈들이직접 CAN 컨트롤러에접근하여자신의 CAN 메시지를전송하는경우, 보드내에서같은 CAN 버스를사용하는다른모듈들은전송되는메시지를확인할방법이없게된다. 그래서실제구현에서는각모듈과 CAN 트랜시버사이의 CAN 신호게이트웨이데이터관리자를두었다. 게이트웨이외부에서들어오는노드 1, 노드 2 사이에서저속 CAN 버스에메시지를보낼필요가있을때직접노드의 CAN 컨트롤러에게메시지전송을요청하는것이아니라, 저속 CAN 데이터를관리하는게이트웨이의저속 CAN 데이터관리자에게자신의데이터가변경되었음을알리고메시지전송을요청한다. 저속 CAN 데이터관리자는모듈로부터요청을받게되면, 해당메시지를게이트웨이의저속 CAN 컨트롤러에서전송요청함과동시에관련된모듈들에게함수호출을통해특정모듈의데이터가변경되었음을알려준다. 마찬가지로 고속 CAN 도모든 CAN 메시지의입출력을고속 CAN 데이터 관리자라는중간관리자를통해서하게된다. 2. 게이트웨이하드웨어의설계 게이트웨이는모토롤라사의 S12 코어기반의 2 개의 CAN 채녈을구비한 16 비트마이크로컨트롤러인 MC9S12DG128 을사용하였다. 보드의구성으로는설정상태를표시해주는 LCD, 디버깅을위한시리얼포트, 저속및고속 CAN 버스접속을위한 9 핀 DSub 포트, 네트워크분 37

50 석기와의통신을위한 25 핀 DSub 포트가있다. 노드는마이크로칩사의 PIC18 계열의 1 개의 CAN 컨트롤러를내장한 8 비트마이크로컨트롤러인 PIC18F248, PIC18F6680 을사용하였다. 엑츄에이터로는실제차량에서사용되는방향지시등, 도어락, 윈도우모터, 부저를선정하였고, 입력신호로는다기능스위치와충돌감지센서입력을대신하는스위치로구성한다. 게이트웨이시스템의노드들은 6 개의입력과엑츄에이터 (Actuator) 구동을위한 6 개의출력으로구성된다. 시스템구성시노드 1 은클래스 B, 노드 2 는클래스 C 로정한다. 또한 CAN 메시지 ID 는우선순위및네트워크클래스를고려하여고속 CAN 버스에위치한노드 2 를낮은번호로하고, 게이트웨는큰 ID 번호를할당하였다. 그러나실제차량에서의노드별부하그룹핑기준을맞추기보다는구현상의특성을반영하여아래와같이구성하였다. 표 9. 게이트웨이시스템의입 ᆞ 출력구성 module ID input output CAN message node 1 node 2 0x0100 LAMP IN BUZZER OUT 0x0200 0x0100 WINDOW UP IN LOCK OUT WINDOW DN IN UNLOCK OUT LOCK IN WINDOW UP OUT UNLOCK IN WINDOW DN OUT 0x0010 CRASH IN LAMP OUT LS NODE1 STATUS - LAMP STATE - WNDW STATE HS NODE2 STATUS - LOCK STATE - CRASH STATE - LOCK CMD node 3 0x0700 0x0300 LS NODE1 STATE HS NODE2 STATE - LAMP - WINDOW - LOCK - CRASH 38

51 다음은 CAN 게이트웨이와네트워크분석기, 노드와엑츄에이터를결 합한데모보드의구성상황이다. 버스는이상적인조건하에신호전달 지연요소를고려하지않고 10[m] 이내로구성하였다. 게이트웨이 - 네트워크분석기 노드 - 엑츄에이터 그림 22. 데모보드구성요소 두개의노드를네트워크로연결하는 CAN 버스트랜시버 (Transceiver) 는 CAN 프로토콜버전 2.0 A/B 와 ISO11898 표준을지원하는 MCP2551 를사용하고, 게이트웨이는고속의 CAN 버스트랜시버인 TJA1050T 와저속의 CAN 버스트랜시버로는 J1850 표준을지원하는결함내성이있는 MC33388D 를사용한다. 39

52 그림 23. 버스인터페이스회로도 3. 제안된알고리즘의소프트웨어구현 게이트웨이프로그램은게이트웨이모듈 API, 게이트웨이모듈소스, 저속 CAN 신호데이터관리모듈 API, 저속 CAN 신호데이터관리모듈소스, 고속 CAN 신호데이터관리모듈 API, 고속 CAN 신호데이터관리모듈소스로구성된다. 게이트웨이모듈프로그램은 CAN 메시지의전송주기를 100[ms] 단위로설정하고, 게이트웨이모듈을초기화및게이트웨이모듈의동작을위한함수를정의한다. CAN 신호데이터관리모듈프로그램은해당노드의엑츄에이터모듈별 CAN 데이터가변경되었을때실행될함수의타입을선언하고저속이나고속의 CAN 버스에연결된모듈의수, 신호의수를정의한다. 또한 CAN 신호의수에따른로컬버퍼의용량, 노드별 CAN 신호의 ID 와 DLC, 게이트웨이의 CAN 신호 ID 및 DLC 를정의한다. 노드별 CAN 모듈의초기 40

53 화, 노드와게이트웨이의 CAN 메시지가변경되었을때변수값을갱신하기위한각각의감시자함수, 해당노드의엑츄에이터모듈과게이트웨이의메시지의변경확인, 외부에서받은노드모듈의 CAN 메시지를확인하고로컬데이터를변경하는과정을거친다. 4. 게이트웨이메시지 ID 의정의 게이트웨이에서메시지 ID 는두개의노드에대해메시지전송을피어투피어 (peer-to-peer) 네트워크방식으로정의한다. J1939 에서정의된메시지 ID 는목적지주소, 데이터페이지비트, 우선순위, 소스주소, 파라메터그룹번호 (PGN : Parameter Group Number) 를묶어정의하고있다. 최대 8 바이트까지의파라메터그룹을 CAN 메시지로전송하고모든파라메터그룹은 PGN 을통해유일한 ID 주소가부여된다. Priority Reserved 표 10. 게이트웨이메시지 ID 의구성 Data page PDU format PDU specific PGN Source address 3 bit 1 bit 1 bit 8 bit 8 bit 8 bit 16 비트값으로프로토콜데이터유닛 (PDU : Protocol Data Unit) 의 포멧과상세를구성하는데목적지노드주소의고유성에여부에따라크 게두가지파라메터그룹으로나뉜다. 41

54 1 브로드캐스트범용파라메터그룹 PGN=FEED F 피어투피어특정파라메터그룹 PGN=ED00 F always 0 표 11. 게이트웨이메시지파라메터그룹번호정의 Data Length 8 Byte 8 Byte Data Page 0 0 PDU Format 7 3 PDU Specific Default Priority 5 4 Parameter Group Number 1792 (0x700) 768 (0x300) Start Positoin Length Parameter Name 0 [0..1] 2 bit LAMP LOCK 0 [2..3] 2 bit UNLOCK 0 [4..5] 2 bit WINDOW DOWN 0 [6..7] 2 bit WINDOW UP 1 [0..7] 2 [0..7] 3 [0..7] 4 [0..7] 5 [0..7] 6 [0..7] 7 [0..1] 2 bit CRASH 7 [2..7] 42

55 또한게이트웨이는저속 CAN 버스로전송하는파워트레인부의신호 상태 (HS NODE2 STATE) 가고속 CAN 버스로전송하는인테리어부 의신호상태 (LS NODE1 STATE) 보다메시지우선순위에서높다. 5. 게이트웨이메시지의측정및분석 네트워크분석기는저속과고속의버스사이에서 CAN 통신프로토콜분석, 네트워크의메시지전송상황모니터링, 데이터수집을한다. 또한파형분석기를통해버스상의 CAN 메시지를수집하고이를디코딩하여메시지가제대로버스에서교환되는지를확인한다. 다음은게이트웨이에서교환되는 CAN 메시지를정리한것이다. 표 12. 게이트웨이 CAN 메시지의구성게이트웨이메시지교환 CAN 메시지 HS INT STATUS LS PT STATUS LS NODE1 STATE - LAMP - WINDOW HS NODE2 STATE - LOCK - CRASH 네트워크분석기가실시간으로버스상의 ID 와해당전송데이터값을 CAN 버스구분자를포함하여정렬한다. 일반노드의 CAN 데이터의 DLC 는 1 에서 3 바이트인반면, 게이트웨이의 DLC 는 8 바이트로정의한다. 또한게이트웨이는저속 CAN 버스에서받은노드 1 의상태정보 43

56 를고속의 CAN 버스로보내고, 고속 CAN 버스에서받은노드 2 의상태정보는저속 CAN 버스로보낸다. 이때메시지는 100[ms] 마다한번씩보낸다. 다음은네트워크분석기를통해고속 CAN 버스와저속 CAN 버스상의메시지를모니터링한화면의저장데이터이다. 그림 24. 메시지전송모니터링 44

57 (1) CAN 신호메시지의측정 저속 CAN 노드의신호인램프를켰을때와고속 CAN 노드의충돌감지신호를발생했을때해당엑츄에이터를구동하기위해게이트웨이를통해다른버스로전달되기전의 CAN 메시지프레임을디코딩한파형을보여준다. 해당노드에서정상적으로저속과고속의버스로 CAN 신호를발생하였음을확인하였다. LS NODE1 STATE ID = 0x0100 DLC= LAMP 1 그림 25. LAMP 신호데이터구성및측정파형 HS NODE2 STATE ID=0x0010 DLC= CRASH 그림 26. CRASH 신호데이터구성및측정파형 45

58 (2) 게이트웨이메시지의측정 HS INT STATUS 메시지는저속 CAN 버스에서받은인테리어부의 CAN 상태정보를고속 CAN 버스로보낸다. 노드 1 의 LAMP 신호를고속 CAN 버스로전송할경우, 게이트웨이에서는인테리어블록의상태를나타내는 CAN 메시지의데이터프레임에해당정보를 2 비트로나타낸다. (0=INVALID, 1=LAMP OFF, 2=LAMP ON) 또한윈도우의모터구동을위한업ᆞ다운신호는각각 2 비트로구성된다. (0=INVALID, 1=WINDOW UP/DOWN ON, 2=WINDOW UP/DOWN OFF) 노드 1 의램프스위치를켰을때노드 2 의윈도우모터를다운동작을하도록하는게이트웨이의일련의처리절차를도시하였으며, 고속 CAN 버스로전송된게이트웨이신호를측정하였다. 그림 27. LAMP 상태에따른파워윈도우업 ᆞ 다운동작타이밍도 HS INT STATUS ID = 0x0700 DLC= WINDOW UP WINDOW DOWN LAMP

59 그림 28. HS INT STATUS 신호데이터구성및측정파형 LS PT STATUS 메시지는고속 CAN 버스에서받은파워트레인부의 CAN 상태정보를저속 CAN 버스로보낸다. 노드 2 의 CRASH 신호를저속 CAN 버스로전송할경우, 게이트웨이에서는파워트레인블록의상태를나타내는 CAN 메시지의데이터프레임에해당정보를 2 비트로나타낸다. (0=INVALID, 1=NORMAL, 2=CRASH DETECTED) 또한도어락모터를구동하기위한닫힘, 열림신호는각각 2 비트로구성된다. (0=INVALID, 1=LOCK/UNLOCK ON, 2=LOCK/UNLOCK OFF) 노드 2 로부터충돌신호가입력되었을때노드 1 의도어락모터를동 47

60 작하도록하는게이트웨이의일련의처리절차를도시하였으며, 저속 CAN 버스로전송된게이트웨이신호를측정하였다. 그림 29. CRASH 상태에따른도어락닫힘 ᆞ 열림동작타이밍도 LS PT STATUS ID=0x0300 DLC= UNLOCK LOCK CRASH 48

61 그림 30. LS PT STATUS 신호데이터구성및측정파형 다음은게이트웨이의메시지전송상황을네트워크분석기와 PC 상의 Vehicle Spy 와의통신을통해모니터링하도록노드의기능을자바를사용하여시각적으로구현하고, 노드별엑츄에이터동작시메시지전송상태를측정한결과이다. 엑츄에이터시뮬레이션 Vehicle Spy 를통한통신모니터링 그림 31. 노드별게이트웨이메시지전송상태 49

62 (3) 제안된게이트웨이의시간영역분석 노드로부터게이트웨이로 CAN 신호부하량증감범위를제약하는 조건들이다. 게이트웨이모듈의구현을위한제한조건들은주로 마이크로컨트롤러의내부메모리풋프린트에영향을미친다. 표 13. 게이트웨이프로그램의시간영역분석제한조건 파라메터 허용범위 Frame data size 0 15 bytes Signal size 1 64 bits Signal position 0-63 Number of Tx buffers Rx/Tx timer period Frame ID length ticks (51.2s 10ms time base) 1 11 bits 게이트웨이의성능측정을위한도구로 Metrowerks 사의컴파일러 Codewarrior V5.1 을사용하였다. 마이크로컨트롤러에서요구되는 메모리크기를측정하고, CPU 에내장된램에간헐적으로접근할때 게이트웨이의신호복사실행시간을측정하였다. 1) CAN Rx 쓰레드 노드들로부터개별 CAN 메시지를수신한후 Rx 쓰레드를실행한다. ID 탐색, 신호복사, 프레임전송스케줄링을분석하였다. 50

63 1 ID 탐색 수신된메시지에대해 ID 가일치하는 Rx 프레임서술자를찾는 ID 탐색시간을측정한다. 탐색시간은 Rx 서술자테이블에서일치하는 ID 를가진서술자의위치와탐색되는일부분의크기에의해결정된다. 최대탐색시간은탐색알고리즘에의해요구되는반복수와거의일치하는추세이다. 다음은 Rx 서술자테이블의크기를최대 200 까지했을때의마이크로컨트롤러 CPU 의버스사이클을측정한결과이다. 그림 32. Rx 서술자테이블의사이즈별최대 ID 탐색시간 2 신호복사실행시간 신호복사알고리즘은신호와목적지의수에따라실행시간을 결정한다. 실행시간은다음의관계식과같이선형적으로증가한다 [14]. 51

64 T = N + 32 N [bus cycles] (4-1) CopySignals signals destinations Rx 프레임의신호의수 (N signals ) 와모든신호들에대한목적지의수 (N destinations ) 를더해서신호복사실행시간 (T CopySignals ) 을계산한다. 그림 33. 신호복사실행시간 3 프레임전송스케줄링 프레임전송스케줄알고리즘에의해전송예정된특정프레임이 있는지여부가처리실행시간을결정한다. 다음은프레임전송상태에 따른실행시간을보여준다. 52

65 표 14. 프레임전송상태에따른실행시간 전송상태 실행시간 [bus cycles] 기전송예정된프레임 12 전송미예정된프레임 40 2) CAN Tx 쓰레드 MSCAN Tx 버퍼비움인터럽트요청에의해 Tx 쓰레드가실행된다. 인터럽트서비스루틴의실행시간은전송대기열이예정되었을때가비워졌을때보다더많이요구된다. 대기열이완전히비워졌을때만인터럽트서비스루틴은불능이된다. 표 15. TxEmptyIsr 인터럽트서비스루틴의실행시간 전송상태 최대실행시간 [bus cycles] 전송예정된프레임 53 빈전송대기열 12 53

66 V. 결론 본논문에서는오늘날다양한산업분야에서분산된전자제어유닛을직렬통신네트워크로연결하는 CAN 통신프로토콜을적용하여차량내네트워크그룹을크게둘로구분하여저속의버스와고속의버스에서메시지를상호변환하도록하는게이트웨이모듈을설계구현하였다. 설계한게이트웨이모듈에는실제차량의엑츄에이터를구동하는두개의노드를연결시켰다. 자동차의네트워크환경을그대로구현하는데어려움으로인해고속버스로연결되는노드의부하로는도어락닫힘ᆞ 열림스위치, 충돌감지스위치를입력으로파워윈도우모터, 램프를출력으로구성하였다. 저속버스에연결되는노드의부하로는램프스위치, 파워윈도우모터상향ᆞ하향스위치를입력으로부저와도어락모터를출력으로구성하였다. 게이트웨이모듈은저속과고속의 CAN 네트워크를모두수용할수있도록 CAN 컨트롤러를 2 개내장하고저속결함내성 CAN 트랜시버와고속 CAN 트랜시버로구성되어노드들의메시지를상호변환하여해당하는버스로전송하도록하였다. 소프트웨어적으로는게이트웨이의기능을모듈화하여향후노드및신호의수가증가할경우에유연하게사용할수있도록하였다. 저속ᆞ고속 CAN 신호를중계하는게이트웨이모듈과데이터관리모듈로구성된다. 노드의엑츄에이터는단순한온 / 오프방식으로구동하고추후자동차엑츄에이터모듈별기능과요구조건의다양함을반영하고자한다. 54

67 본논문에서설계한 CAN 신호게이트웨이의동작을확인하기위해서 PC 와연결하여네트워크상황을모니터링하는네트워크분석기와버스상의 CAN 신호레벨에서디코딩하는파형분석기를통해고속버스상의노드와저속버스상의노드가정상적으로메시지교환이이루어지고게이트웨이데모보드에서엑츄에이터가정상적으로구동되는것을확인하였다. 제안된게이트웨이의시간영역분석으로송ᆞ수신되는메시지쓰레드를측정하였다. 수신되는쓰레드는 ID 탐색시간, 데이터크기별신호복사시간, 프레임전송스케줄링을평가하였다. 송신쓰레드는메시지의전송상태에따른인터럽트서비스루틴의실행시간, Tx/Rx 타이머처리시간을평가하였다. 노드와목적지의수, 신호의길이, 메시지의대기빈도에비례하여게이트웨이의송ᆞ수신지연을발생시켜시스템성능에악영향을줌을확인하였다. 추후에는본논문에서구현한 CAN 신호게이트웨이를실제자동차의네트워크에적용하고자할때에는게이트웨이의성능을향상시킬수있도록메시지변환시간의단축, 다양한데이터사이즈에대한변환효율향상, ID 탐색시간최적화, 프레임스케줄링개선기법등에대한연구가필요하다. 55

68 참고문헌 [1] CAN Specification, Version 2.0, Parts A and B, Robert Bosch GmbH, [2] Lawren, Wolfhard, CAN System Engineering From Theory to Practical Application, Springer, [3] Konarad Etschberger, Controller Area Network Basics, Protocols, Chips and Applications, IXXAT Press, [4] Wilfried Voss, A Comprehensible Guide To Controller Area Network, Copperhill Technologies Corporation, [5] Dominique Paret, Multiplexed Networks for Embedded Systems, SAE International, [6] 이석외, Dual CAN 네트워크의 Load Balancing 을위한네트워크트래픽예측기개발, 한국자동차공학회전기ᆞ전자시스템부문심포지엄논문집, pp , [7] 이원석외, 실시간분산시스템에서프로토콜비교평가, 한국자동차공학회전기ᆞ전자시스템부문심포지엄논문집, pp , [8] 박평선외, 차량용스마트센서네트워크게이트웨이구현, 한국자동차공학회전기ᆞ전자시스템부문심포지엄논문집, pp , [9] SAE J1850, Class B Data Communication Network Interface, Feb 15, [10] SAE J , Surface Vehicle Recommended Practice Network Layer, Apr,

69 [11] SAE J , Surface Vehicle Recommended Practice Vehicle Application Layer, Dec, [12] SAE e-seminar, Controller Area Networks (CAN) for Vehicle Applications, [13] MC9S12DT128DGV2 Data Sheet, Freescale Semiconductor Inc., [14] XGATE Library: Signal Gateway, Application Note AN3333, Freescale Semiconductor Inc., Nov, [15] S12MSCANV2 Data Sheet, Motorola Inc., July 15, [16] PIC18FXX8 Data Sheet, Microchip Technology Inc., Sep 24, [17] MCP2510 Data Sheet, Microchip Technology, Inc., [18] MCP2551: High-Speed CAN Transceiver, Microchip Technology Inc., Jan 24, [19] TJA1050T: High-Speed CAN Transceiver, Philips Semiconductors., Sep 27, [20] MC33388D: Fault Tolerant CAN Interface, Motorola Inc., Nov 2, [21] Vehicle Spy Documentation, Intrepid Control Systems inc., May 23,

70 ABSTRACT A Design and Implementation of CAN Signal Gateway for Automobile Body Networks Han, Jun-Soo Major in Mechatronics Engineering Graduate School of Korea University of Technology and Education Cheonan, Korea adviser : Professor Kang, Ki-Ho The automobile networks are composed of the communication bus system which becomes independent and different each other. From like this automobile networks, the gateway is necessary for exchanging the useful information between electronic control units on the bus. In this paper, CAN communication protocol is applied to connecting the electronic control units which are dispersed with serial communication networks. The automobile networks group is divided into two kinds on a large scale. In order to interchange messages from the low-speed bus and the high speed bus, the gateway is planned and embodied. In order to operate the actual automotive actuator to the gateway 58

71 which plans, it is connected two nodes. Door lock/unlock switch and crash detect switch are input, power window motor and lamp are output by the node load which connects with the high-speed bus. Power window motor up/down switch and lamp switch are input, buzzer and door lock motor are output by the node load which connects with the low-speed bus. The Gateway has two CAN controllers to include low and high speed CAN networks. And it is composed of the fault tolerant low-speed CAN transceiver and the high-speed CAN transceiver. The Software modularized the gateway function. It is composed the gateway module program and data management module program of witch exchanges the lowspeed CAN signal and the high-speed CAN signal. The developed system has been connected to a PC and a network analyzer which can monitor the network situation to confirm the operation of CAN signal gateway. Also it has been connected to the oscilloscope through the bus, thereby decoding the wave at CAN signal level. Messages from the low-speed bus interchanged with the high speed bus by the gateway and on the contrary. The actuator is normally operated. The efficiency of the gateway is evaluated. it measures the message thread which is transmitted and received. The more message thread increased, the more efficiency decreased. 59

72 부록 그림 34. 게이트웨이회로도 그림 35. 노드 1 회로도 60

73 그림 36. 노드 2 회로도 그림 37. CAN 게이트웨이데모보드 61