CAN (Controller Area Network) 통신세미나 www.realsys.co.kr 2007.6.4 김철오 1
CAN 통신? Bosch사에서 1986년자동차전장용으로사용하기위해개발 노이즈에강함 저가격 : 많은 MCU, DSP 등에기본내장 국제표준프로토콜 하나의통신선로에다수장치연결하여데이터공유가능 1 프레임당최대데이터량 :8 바이트 자동충돌감지및재전송을하드웨어적으로자동처리 Multi-Master 오류검출및자동재전송 통신속도 : 최대 1Mbps 다수 ID : 2.0A(11비트 =2048), 2.0B(29비트 =536870912) 응용분야 : 자동차, 항공기, 산업용제어기, 빌딩관리등확대추세 2
CAN 통신역사 1983 :B Bosch 사에서자동차용네트워크프로젝트시작 1986 : Bosch사에서 CAN 통신프로토콜소개 1987 : Intel 및 Philips사에서첫번째 CAN controller 제작 1991 :Bosch 에서 CAN 스펙 20 2.0 발표 1992 : CAN in Automation (CiA) 유저그룹결성 CiA에서 CAL(CAN Application Layer) 프로토콜발표 Benz 사에서 CAN 통신을사용한첫번째자동차출시 1993 : ISO 11898 표준제정 1994 : 1st international CAN Conference (icc) by CiA DeviceNet 프로토콜소개 (Allen-Bradley 사 ) 1995 : ISO 11898 확장포맷발표 CANopen 프로토콜발표 (CiA) 2000 : time-triggered communication protocol for CAN (TTCAN) 개발 참조 : http://www.can-cia.org/can/protocol/history/index.html cia.org/can/protocol/history/index.html 3
CAN 통신응용분야 Passenger cars Trucks and buses Off-highway and off-road vehicles Passenger and cargo trains Maritime electronics Aircraft and aerospace electronics Factory automation Machine control Lifts and escalators Building automation Medical equipment and devices Non-industrial control Non-industrial equipment 4
CAN 통신응용분야 자동차 (CAR) 의몇가지응용예 Anti-lock Braking System / Engine Management System / Traction Control / Air Conditioning Control / Central door locking / Powered seat / Mirror Control 등기타응용예 선박및항해제어시스템 (Marine control & navigation system) 엘리베이터제어시스템 (Elevator control system) 농업용기계 (Agricultural machinery) 제조라인 (Production line control system) 공작기계 (Machine tools) 대형망원경 (Large optical telescopes) 복사기 (Photo copier) 의료기기 (Medical system) 제지기기 (Paper making and processing machinery) 포장기기 (Packaging machinery) 완구 (Toys for children) 등 5
CAN 통신특징 Multi-Master 구조 : 통신신호충돌대책이있음 (CSMA/CA). 메시지 ID간우선순위있음. 데이터송신충돌정지시, 선로가비어있을때자동재전송기능. 통신속도 : 최대 1 MBPS까지통신가능 통신데이터수 : 8바이트 ( 산업용 / 차량용제어장치에적합 ) 통신프로토콜 / 에러처리를 Hardware적으로처리. 다수의장치 (Standard: 11bit, Extended:29bit ID구분 ) 간통신가능. 노이즈환경에강함 ( 응용분야예 : 자동차내부신호간통신 ) 비용이경제적임 : 여러회사의 MCU 내에기본장착이늘고있음. 예 ) Motorola, Philips, TI, Hitachi, Dallas, Intel 등 CAN 통신을개발한회사 : 독일의 Robert Bosch 사 6
CAN 통신데이터포맷 쉽게이해하는통신이야기 7
CAN 통신데이터포맷 8
CAN 통신프로토콜 9
CAN 통신접속대수및거리관련 통신속도와거리 일반적으로통신속도와통신거리는반비례관계 ( 통신속도가높으면거리가짧아짐 ) ISO11898 에서 1Mbps 속도에서는 40m 정도로규정 DeviceNet에서통신속도와통신거리관계 통신속도 통신거리 500 k 100m(328 ft) 250 K 200m(656 ft) 125 K 500m(1640 ft) 접속대수 ID 비트수 : Standard 경우 = 11비트, Extended의경우 =29비트 Driver 소자 : 32 or 64 or 128 노드 10
CAN & OSI Model 관련 OSI Seven Layer model Data Li k Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Logical Link Control(LLC) Link Media Access Control(MAC) Physical Layer 쉽게이해하는통신이야기 CAL(CAN Application Layer): Philips Medical System에서개발현재는 CIA(CAN in Automation) user group 에서관리 CANopen : CAL의구현, CiA DS-301에정의되어있음. PCAL (Portable CAN Application Layer): CAL 구현의또다른예 German Federal Armed Forces 대학에서개발 DeviceNet : CiA 에서공인된 Application Layer Rockwell/Allen-Bradley에서개발 SDS(Smart Distributed System): CiA에서공인된 Application Layer Honeywell에서개발 CAN Kingdom: CiA 에서공인된 Application Layer, Kavaser 개발 LLC Acceptance Filtering Overload Notification Recovery Management Physical Layer Bit Encoding / Decoding MAC Bit Timing Synchronization Driver/Receiver Characteristics Data Encapsulation / Decapsulation Frame Coding(Stuffing, Destuffing) Medium Access Management Error Detection Error Signaling Acknowledgement Serialization / Deserialization 11
CAN 통신소자제조업체 쉽게이해하는통신이야기 CAN 통신소자제조관련업체 : Intel = 82527, 8X196CA, 8X196CB Microchip = MCP2510, PIC18C258, PIC18C458, PIC18C658, PIC18C858,PIC18C958등 Infineon = SAE81C90, SAB-C167CR, C505C, C164CI, Hitachi = SH7055F, H8S/2623F, H8S/2636F Fujitsu = MB90F594A, MB90F598, MB90F543, MB90F547 Dallas = DS80C390 Mitsubishi = M37630, M37632, M306N0MC, M16C/SFCAN, M16C/DFCAN Motorola = 68HC05, 68HC08AZ, 6811C08AB, 68HC12, MC68376, MPC555, MC33388 National Semiconductor = COP684BC, COP884BC, COP87L84BC, COP888EB /COP889EB /COP688EB/COP689EB, COP87L88RB, MM57C360/MM57C362 NEC = 72005, 78K/0 CAN family, V850/SF1, upd70f3079y, upd703079y OKI = ML66516 / ML66517, MSM9225 Philips = PCA82C200, SJA1000, STMicroelectronics = ST10F167 Temic = TSC8051A11, At89C51CC01, Temic은 Atmel사로합병됨 Texas Instruments = TMS370x08D55, TMS320F241, TMS320F243, TMS320LF2407, TMS320LF2406, TMS320LF2812 Toshiba = TMP95CS54F(mask version), TMP95PS54F (OTP version) and TMP95FW54F 12
CAN 통신버스구조이해 쉽게이해하는통신이야기 5V TX1 R RX1 TX2 RX2 CAN BUS line TX3 RX3 CAN 버스는왼쪽그림과같이오픈컬렉터신호형태로되어있다고볼수있다. 풀업저항을통해 5V 연결되며, 모든트랜지스터가 OFF 일때 CAN 버스라인이 5V 이고어느하나의트랜지스터라도 ON 되면 CAN 버스라인은 0V가됨. 0V 상태를 dominant 레벨이라고하고, 5V 상태를 recessive 레벨이라부르며, dominant (0V) 레벨이 recessive(5v) 레벨을이긴다볼수있음. Level TX1 신호 0 1 0 1 0 1 0 1 TX2 신호 0 0 1 1 0 0 1 1 TX3 신호 0 0 0 0 1 1 1 1 어느하나라도 0 상태이면버스는 0 상태가됨. 버스신호 0 0 0 0 0 0 0 1 13
비트스터핑 (Stuffing) 원리 쉽게이해하는통신이야기 보낼신호 버스신호 1 2 3 4 5 6 추가비트 1 2 3 4 5 6 받은신호 1 2 3 4 5 6 CAN 통신에서는비동기통신에서와같이 NRZ(Non Return to Zero) 코딩방법을사용한다. 다시말해 1 비트동안은같은값을유지한다. 따라서많은같은상태가계속이어질수도있다. 이경우수신측에서는비트의경계를알수없으므로오차가누적될수있다. 비동기통신의경우에는바이트단위로스타트, 스톱비트가있으므로동기를잡을수있지만, CAN 의경우에는여러바이트값이연속적으로이어지므로이에대한대책이필요하다. 이러한대책으로 CAN 에서는 5 비트동안같은상태가유지되면반대상태를 1 비트추가하여송신하고, 수신장치는이를고려하여원래대로다시복원한다 14
CAN 통신프레임종류 쉽게이해하는통신이야기 CAN의통신프레임에는 4개의프레임이있음. 데이터프레임 (DATA FRAME) 리모트프레임 (REMOTE FRAME) 에러프레임 (ERROR FRAME) 오버로드프레임 (OVERLOAD FRAME) Standard Data Frame(2.0A) Extended Data Frame(2.0B) SOF (Start of Frame) : 프레임의시작의미 Identifier : 표준프레임 (11 비트 ), 확장프레임 (11+18 = 29 비트 ). 이 ID로메시지우선순위결정및메시지수신여부결정. RTR (Remote Transmission Request) : 데이터프레임과리모트프레임구분데이터프레임은항상 0 (dominant) 상태임. SRR (Substitute Remote Request) : 표준프레임의 RTR 위치점유 IDE (Identifier Extension) : 표준프레임과확장프레임구별 r0,r1 : 예약 DLC (Data Length Code) : 데이터프레임의데이터바이트수, 범위 : 0 ~ 8 Data : 8 바이트크기, MSB(Most Significant Bit) 부터송신됨 CRC (Cyclic Redundancy Check) : 16 비트체크섬 (checksum) ACK (Acknowledgement) : 응답 EOF (End of Frame) : 프레임의끝의미 15
리모트프레임 리모트프레임은데이터프레임에서 RTR 비트가 1 상태이고데이터영역이없는형태를취한다. 리모트프레임은데이터를요구하는데사용된다. 리모트프레임의요구를받은장치는데이터프레임으로응답한다. 리모트프레임에는데이터영역이없음 송신메일박스 리모트프레임 (RTR = 1) 데이터프레임응답 송신메일박스가자동응답기능이설정되어있고 ID 가일치해야응답함 16
에러 & 오버로드프레임 쉽게이해하는통신이야기 에러프레임 데이터프레임리모트프레임 6 비트에러플래그 ( 첫번째 ) 6 비트에러플래그 ( 두번째 ) 다른로드에서 8 비트에러경계 에러프레임은 0 상태의 6 ~ 12비트크기의에러플래그와 1 상태의 8비트크기에러종료상태로이루어져있으며, 현재의송신프레임은에러가있으므로다시전송하라는의미로비트 stuffing 규칙을일부러손상시킨다. 따라서현재전송중인장치는에러로인해현재의프레임이실패하였음을인식하고즉시중지하여다음의재전송기회를기다린다. 오버로드프레임 프레임의끝 (EOF) 6~7 비트오버로드플래그 8 비트오버로드경계 오버로드프레임은 CAN 제어기가아직이전메시지의처리를마치지못한경우다음메시지의시작을지연시키기위해서사용된다. 오버로드프레임은에러카운터수에영향을미치지않는다. 17
에러검출 5 가지 CRC 에러 ACK 에러 SOF Ident ifier Fie eld RT TR Cont trol Fie eld STUFF 에러 CR RC Sequ ence CRC Del ACK Slot ACK Del Data 만일에러가발생되면즉시에러프 Field 레임이전송된다. 단 CRC 에러가발생된경우 EOF의첫번째비트가나올때까지에러프레임을보내지않는다. 그이유는모든다른장치들이 ACK FORMAT 에러 End of Fram me ITM 를받을때까지기다리도록하기위함이다. BIT 에러 송신장치발생에러 : BIT 에러 : 보낸비트와받은비트가서로다르면비트에러발생 ACK 에러 :ACK 슬롯동안수신장치가 0 을보내주지않을때, 이에러는모든수신장치가접속되어있지않을때 ( 통신선로가끊겼을때등 ) 발생. 수신장치발생에러 : CRC 에러 : CRC 가맞지않을때에러발생 STUFF 에러 : 스터핑 (stuffing) 규칙이맞지않을때에러발생 FORMAT 에러 : CRC Del, ACK Del, EOF의영역에 0(dominant) 값이나타날때발생 18
에러상태처리 송신에러카운터 > 127 또는수신에러카운터 > 127 ERROR PASSIVE H/W 리세트 ERROR ACTIVE 송신에러카운터 < 128 AND 수신에러카운터 < 128 송신에러카운터 > 255 S/W 리세트 128 x 11 비트의 recessive 상태를수신하면 BUS OFF CAN 제어기내부에송신에러카운터 (TX_CNT) 와수신에러카운터 (RX_CNT) 가있음. 이들카운터는에러가검출되면 1씩증가하고, 에러없이성공하면 1씩감소하며, 이들에러카운터수에따라노드의상태가달라짐초기상태는에러액티브 (ERROR ACTIVE) 상태이며, 액티브에러플래그를보낼수있다. 에러카운터값이 127보다크면에러패시브 (ERROR PASSIVE) 상태가된다. 즉액티브에러프레임 (6 비트 0 상태 ) 을보내지못하고, 패시브에러프레임 (6비트 1상태 ) 을보낸다. 즉에러프레임을발생하는권리를제한시킨다.( 그이유는자꾸이상한에러를발생하여전체통신망을마비시킬수있기때문에 ). 또한두개의연속적인메시지전송에못하도록부가적인지연시간을갖도록한다. 즉에러발생이많은노드이므로전송회수를제한한다. 만일송신에러카운터가 255를넘으면버스오프 (BUS OFF) 상태가되어이노드를 CAN 망에서접속을끊어버린다. 이버스오프상태에서벗어나는방법은소프트웨어리세트또는하드웨어리세트를걸거나부가적인웨이트시간 (128 x 11 비트 1 (recessive) 상태 ) 을기다려야한다. 19
CAN 통신시험 : CAN Analyzer Pro 데이터송신창왼쪽마우스더블클릭으로데이터송신 데이터수신창수신데이터가표시됨 20
CAN 통신시험 : 파형관찰 쉽게이해하는통신이야기 CAN 통신데이터 : TXD(1), RXD(4) 관찰 ID 값 버튼정보 CANH 핀관찰 : 응답 (Hardware Ack.) 이있는경우 CANH 핀관찰 : 응답 (Hardware Ack.) 이없는경우 CAN 수신데이터 계속하여 Hardware Ack. 가올때까지송신을반복함. 21
관련 web http://www.can-cia.org http://www.kvaser.com/can http://www.canopen.us http://www.esacademy.com http://www.semiconductors.bosch.de 22
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