CAN은 1980년대초에 보쉬사에 의해 자동차 애플리케이션을 위한 시리얼 버스 시스템으로 개발되었다. 현재 CAN 프로토콜은 자동차, 선박, 의료, 제조, 우주/항공 등 다양한 산업에서 널리 사용되고 있다. <편집자 주>
글: Steve Corrigan
System Specialist, Data Transmission, Texas Instruments
CAN(Controller Area Network) 버스는 1Mbps의 최대 신호 속도로 규정된 다중(Multi-master) 메시지 브로드캐스트 시스템으로, 보쉬(BOSCH)에서 처음 개발됐다. CAN은 USB나 이더넷과 같은 기존 네트워크와 달리 노드(통신주체) A에서 노드 B까지 중앙 버스 마스터의 통제 하에 대규모 블록의 데이터를 일대일로 전송하지는 않는다. CAN 네트워크에서 온도나 RPM처럼 짧은 메시지는 전체 네트워크로 전송되며, 이는 시스템의 모든 노드에서 데이터의 일관성을 유지한다는 특성을 가진다.
CAN은 ISO(International Standardization Organization)가 정의한 시리얼 통신 버스로 본래 자동차 산업용으로 개발되어, 복잡한 와이어링 장치를 2개의 와이어 버스로 교체시켰다. 스펙은 최소 1Mbps의 신호 속도, 전기적 방해(Electrical Interference)에 대한 높은 면역성, 자가 진단, 데이터 오류 수정 기능을 요구하고 있다. 이 같은 특징으로 CAN은 자동차, 선박, 의료, 제조, 우주/항공 등 다양한 산업에서 널리 사용되고 있다.
CAN 통신 프로토콜인 ISO 11898은 네트워크상의 디바이스들 간에 정보가 어떻게 교류될 수 있는지를 기술하며, 계층(Layer) 관점에서 정의된 OSI(Open Systems Interconnection) 모델을 따른다. 물리적 매개물로 연결된 디바이스들 간의 실제 통신은 물리 계층 모델로 정의된다. ISO 11898 아키텍처는 그림 1의 데이터 링크층과 물리 계층처럼 7개의 계층 OSI/ISO 모델 중 가장 낮은 2개의 계층으로 정의된다.
그림 1에서 애플리케이션 계층은 통신 링크를 공급자 독립형 CAN 오픈 프로토콜처럼 상위 레벨의 애플리케이션 특정 프로토콜에 놓는다. 이 프로토콜은 국제적인 사용자와 제조업체 그룹(CiA: CAN in Automation)을 통해 지원된다. 여기에는 산업 자동화, 항법 등 특수 애플리케이션 전용을 위한 유사한 신종 프로토콜이 다수 존재한다. 산업 표준의 CAN 기반형 프로토콜의 예는 KVASER's CAN Kingdom, Rockwell Automation의 DeviceNet, Honeywell의 Smart Distributed System(SDS) 등이 있다.
표준 CAN과 확장 CAN
CAN 통신 프로토콜은 CSMA/CD+AMP(Carrier-Sense Multiple-Access protocol with Collision Detection and Arbitration on Message Priority) 방식이다. CSMA는 버스의 각 노드가 메시지 전송을 시도하기 전, 비활성의 규정 기간을 기다려야 한다. CD+AMP는 충돌이 메시지 식별 필드에서 프로그램된 각 메시지의 우선 순위에 기반해 비트 와이즈 중재(Bit-wise Arbitration)를 통해 해결된다는 것을 의미한다. 더 높은 우선순위의 식별자가 항상 버스에 액세스 된다.
표 1에 나타난 표준 CAN의 최초 버전, ISO 11519(저속 CAN)는 표준 11비트 식별자를 갖춘 최고 125kbps의 애플리케이션을 위한 것이다. 2차 버전, ISO 11898(1993) 역시 11비트 식별자를 이용해 125kbps에서 1Mbps까지 신호 속도를 제공한다. 가장 최근의 ISO 11898 개정 버전(1995)은 확장 29비트 식별자를 도입했다. ISO 11898 11비트 버전은 표준 CAN 버전 2.0A으로도 종종 불리며, ISO 11898 개정 버전은 확장 CAN 버전 2.0B로 불린다. 그림 2에서 표준 CAN 11비트 식별자 필드는 211 즉, 2048개의 다른 메시지 식별자를 제공하면서, 그림 3에서 확장 CAN 29비트 식별자는 229 즉 5억 3,700만 개의 식별자를 제공한다.
표준 CAN 및 확장 CAN의 비트 필드
표준 CAN
그림 2의 비트 필드의 의미는 다음과 같다:
* SOF- 단일 도미넌트(dominant) SOF(start of frame) 비트는 메시지 시작을 표시하며, 무부하 기간 이후 버스의 노드를 동기화하기 위해 사용된다.
* 식별자(Identifier) - 표준 CAN 11비트 식별자는 메시지의 우선순위를 가린다. 2진 값이 더욱 낮을수록 우선순위는 더욱 높아진다.
* RTR - 단일 원격 전송 요청(RTR: remote transmission request) 비트는 정보가 또 다른 노드에서 요청될 때 도미넌트 된다. 모든 노드는 이 요청을 수신하지만, 식별자는 특정 노드를 결정한다. 반응 데이터는 모든 노드에 의해 수신되며 관계가 있는 노드에 의해 사용된다. 이런 방식으로 시스템 내에서 사용되는 모든 데이터는 동일하다.
* IDE-도미넌트 싱글 IDE(identifier extension) 비트는 확장되지 않은 표준 CAN 식별자가 전송되었음을 의미한다.
* r0- 역 비트 (추후 표준 개정으로 사용 가능)
* DLC- 4비트 DLC(data length code)는 전송된 데이터의 바이트 수가 포함되었다.
* 데이터 - 애플리케이션 데이터의 최고 64비트가 전송될 수 있다.
* CRC- 16비트(15비트+구획문자)의 순환 중복 확인 CRC(cyclic redundancy check)는 오류 검출을 위한 선행 애플리케이션 데이터의 검사합계(전송된 비트 수)를 포함한다.
* ACK-정확한 메시지를 수신하는 모든 노드는 도미네이트 비트를 가진 원래의 메시지에서 리세시브 비트(recessive bit) 위에 겹쳐 쓰고 오류가 없는 메시지가 전송되었다는 것을 나타낸다. 수신 노드가 오류를 발견하고 이 비트를 리세시브로 남기게 되면, 이것은 메시지를 무시하고 전송한 노드는 재중재(rearbitration)를 한 후 메시지를 반복한다. 이러한 방식으로 각 노드는 데이터의 보전을 승인한다.(ACK) ACK는 2비트이며 이 중 1비트는 승인 비트, 2번째 비트는 구획문자이다.
* EOF-프레임 종료 (EOF)의 7비트 필드는 CAN 프레임(메시지)의 종료를 나타내고, 비트 스터핑(bit-stuffing)을 억제시키며, 도미넌트 일 때 스터핑 오류를 가리킨다. 동일한 로직 레벨의 5비트가 정상 동작기간 동안 연속적으로 발생할 때, 반대 로직 레벨의 비트는 데이터로 스터프 된다.
* IFS- 7비트의 IFS(inter-frame space)는 컨트롤러가 요구하는 시간의 양을 포함하며, 메시지 버퍼 영역에서 적절한 위치로 정확하게 수신된 프레임을 이동시킨다.
확장 CAN
그림 3에서처럼, 확장 CAN 메시지는 다음과 같은 내용이 추가되어 표준 메시지로 동일하다.
* SRR-SRR(substitute remote request) 비트는 표준 메시지 위치에서 RTR 비트를 대신해 확장 포맷에서 플레이스홀더(placeholder)가 된다.
* IDE-IDE(identifier extension)에서 리세시브 비트는 따라야 할 더욱 많은 식별자 비트가 있다는 것을 나타낸다. 18비트 확장은 IDE를 따른다.
* r1-RTR과 r0 비트를 따르는 추가적인 리세시브 비트는 DLC 비트에 앞서 포함된다.
CAN 메시지
중재
그림 4에서 보이는 CAN의 기본 특성은 버스와 드라이버 입력 및 수신기 출력 간의 반대 로직 상태이다. 보통 로직 하이(high)는 1에 가깝고 로직 로우(low)는 0에 가깝지만, CAN 버스는 그렇지 않다. 이것은 SN65HVD230처럼 CAN 트랜시버의 드라이버 입력과 수신기 출력 핀을 수동으로 높게 끌어 당기는 것이 바람직하기 때문이다. 입력이 없는 경우, 디바이스는 모든 입력과 출력 핀에서 리세시브 버스 상태로 자동 디폴트된다.
버스 액세스는 성과 주도형(event-driven)으로 무작위 발생한다. 2개의 노드가 버스를 동시에 차지 할 경우, 액세스는 비파괴 비트 와이즈 중재(nondestructive, bit-wise arbitration)로 구현된다. 비파괴(nondestructive)는 노드 와이어링 중재가 메시지로 지속되는 것을 의미한다. 이때 메시지는 다른 노드에 의해서 훼손되지 않으며, 오류를 발생시키지도 않는다. 식별자에서 메시지의 우선 순위를 배치하는 것은 CAN의 특징이며, 이는 실시간 제어 환경 내에서 특정 사용을 실현시킨다. 2진법 메시지 식별자 숫자가 더 낮을수록 우선순위는 더 높다. 제로로 구성된 식별자는 네트워크 상에서 가장 우선 순위의 메시지이다. 버스 도미넌트가 가장 긴 것을 가지고 있기 때문이다.
따라서 2개의 노드가 동시에 전송을 시작하면, 이 노드는 0(도미넌트: dominant)으로 전송하는 반면, 다른 노드는 1(리세시브: recessive)로 전송해, CAN 버스를 제어하고 완벽한 메시지를 전송한다. 도미넌트 비트는 CAN 버스에서 리세시브 비트에 겹쳐 쓴다.
노드는 항상 자체 전송을 모니터 한다는 사실을 유념해야 한다. 이는 그림 4의 트랜시버 구성에 대한 이유이기도 하다. 그림 4에서 드라이버의 CANH와 CANL 출력 핀은 내부에서 수신기의 입력에 결합된다. 드라이버 입력에서 수신기 출력까지 내부 루프에서 신호의 전파지연은 CAN 트랜시버의 수량 측정으로 사용된다. 전파 지연은 루프 타임(TI 데이터 시트에서 tLOOP)으로 언급되나, 업체별로 여러 가지 명칭으로 사용된다.
그림 5는 중재(arbitration) 과정을 보여준다. 노드가 지속적으로 자체 전송을 감시하기 때문에, 노드 B 리세시브 비트가 노드 C의 더 높은 우선 순위인 도미넌트 비트에 겹쳐 쓰이는 경우, B는 버스 상태가 전송된 비트와 맞지 않는다는 것을 검출한다. 따라서 노드 B는 전송을 중지시키는 동안, 노드 C는 메시지를 가지고 지속된다. 일단 버스가 노드 C에 의해 방출되면, 메시지를 전송하려는 또 다른 시도는 노드 B에서 이루어진다. 이 기능은 ISO 11898 물리 신호 계층의 일부로, CAN 컨트롤러 내에 포함되어 CAN 사용자들이 완벽하게 이해할 수 있도록 한다.
메시지 우선순위 배치는 시스템 설계자에 달려 있으나, 업계에서는 일정 메시지의 중요성에 서로 동의한다. 예를 들어 모터 드라이브의 제조업체들이 메시지 0010은 CAN 네트워크상의 모터에서 와인딩 전류 피드백 신호이며, 0011이 회전속도계의 속도라고 규정할 수 있다. 0010은 가장 낮은 2진법 식별자를 가지고 있기 때문에, 전류 값에 관련한 메시지는 회전속도계 읽기와 관련된 값보다 버스에서 더 높은 우선순위를 갖는다.
Rockwell Automation의 DeviceNet의 경우, 근접 스위치 및 온도 센서 등의 많은 제조업체들이 제공하는 디바이스들은 동일한 시스템에 통합될 수 있다. DeviceNet 센서로 생성된 메시지가 필드버스 벤더 협회인 ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)에 의해 정의되었기 때문에, 일정 메시지는 실제 제조업체들과 관계없이 온도와 같은 특정 센서 유형과 관련이 있다.
메시지 유형
CAN 버스에 전송될 수 있는 4가지 메시지 유형, 즉 프레임(그림 2와 3)이 존재한다: 데이터 프레임, 원거리 프레임, 오류 프레임, 과부하 프레임이 그것이다. 메시지의 EOF 필드의 마지막 비트가 오류 없이 리세시브 상태로 수신되었을 때, 메시지는 오류가 없는 것으로 간주된다. EOF 필드에서 도미넌트 비트는 트랜스미터가 전송을 반복할 수 있도록 한다.
데이터 프레임
데이터 프레임은 일반적인 메시지 유형으로 중재 필드, 데이터 필드, CRC 필드, 확인응답(acknowledgement) 필드로 구성되어 있다. 중재 필드는 2개나 3개의 노드가 버스를 위해 경쟁할 때, 우선순위의 메시지를 결정한다. 중재 필드는 그림 2에서 데이터 프레임용으로 도미넌트 하는 CAN 2.0A를 위한 11비트 식별자와 RTR 비트를 포함한다.
그림 3에서 CAN 2.0B의 경우, 29비트 식별자와 RTR 비트를 포함하고, 데이터 필드는 0에서 8바이트의 데이터를 포함한다. CRC 필드는 오류 검출에 사용되는 16비트 검사합계를 포함한다. 승인 필드는 메시지를 정확하게 수신할 수 있는 모든 CAN 컨트롤러가 우세한 ACK 비트를 전송하고, 이 ACK 비트는 메시지 전송의 최종 지점에서 전송된 리세시브 비트 위에 겹쳐 쓰는 것이다. 승인이 인지되지 않는 경우, 트랜스미터는 우세한 ACK 비트가 존재하는지를 점검하고 메시지를 재전송한다.
원거리 프레임
원거리 프레임의 목적은 또 다른 노드에서 데이터 전송을 요청하는 것이다. 원거리 프레임이 2가지 중요 차이점은 데이터 프레임과 유사하다. 첫째, 이 메시지 유형은 중재 필드에서의 리세시브 RTR 비트에 의해 원거리 프레임으로 나타난다. 둘째, 데이터가 존재하지 않는다.
오류 프레임
오류 프레임은 CAN 메시지의 포맷 룰(formatting rule)을 위반한 특별 메시지이다. 이 오류 프레임은 노드가 메시지에서 오류를 검출할 때 전송되며, 네트워크에서 다른 노드를 발생시켜 오류 프레임으로 전송한다. 원래의 트랜스미터는 이 때 자동으로 메시지를 재전송한다. CAN 컨트롤러에서 오류 카운터(error counter)의 정교한 시스템이 존재한다. CAN 컨트롤러는 노드가 오류 프레임을 각각 전송함으로써 버스를 고정시킬 수 없도록 만든다.
과부하 프레임
과부하 프레임은 여기서 완벽함(completeness)을 의미한다. 과부하 프레임은 포맷과 관련해 오류 프레임과 유사하며, 복잡한 노드로 전송된다. 과부하 프레임은 메시지 사이에서 추가 지연을 제공하기 위해 주로 사용된다.
오류 점검과 결함 제한
CAN의 강점은 풍부한 오류 점검 과정에서 비롯됐다. CAN 프로토콜은 5가지 오류 점검 방법을 통합하고 있다. 메시지 레벨에서 3가지 방법과 비트 레벨에서 2가지 방법이다. 이러한 오류 검출 기법으로 메시지를 실패할 경우, 메시지는 수용되지 않으며, 오류 프레임은 수신 노드에 생성되어 정확하게 수신될 때까지, 전송 노드가 메시지를 재전송한다. 그러나 오류 노드가 지속적으로 오류를 반복하면서 버스를 멈추게 한다면, 전송 성능은 오류 한계로 도달한 후 컨트롤러에 의해 제거된다.
메시지 레벨에서의 CRC와 ACK 슬롯은 그림 2와 3에 나타나 있다. 16비트 CRC는 15비트 검사합계 및 1비트 구획문자로 오류 검출용 선행 애플리케이션 데이터의 검사합계를 포함한다. ACK 필드는 2비트 길이로 승인 비트와 승인 구획문자로 구성된다. 마지막으로 메시지 레벨에서 폼 체크가 있다. 이 체크는 항상 리세시브 비트여야 하는 메시지에서 필드를 찾는다. 만약 도미넌트 비트가 검출되면, 오류가 발생한다. 점검된 비트는 SOF, EOF, ACK 구획문자와 CRC 구획문자 비트이다.
비트 레벨에서 전송된 각 비트는 메시지 트랜스미터에 의해 확인된다. 데이터 비트(중재 비트 아님)가 버스에 쓰여지고 반대편에서 읽혀지면, 오류가 발생된다. 이에 유일한 예외는 메시지 식별자 필드로, 중재를 위해 사용되며 승인 슬롯은 도미넌트 비트에 의해 겹쳐 쓰여진 리세시브 비트를 요구한다. 오류 검출의 마지막 방법은 동일한 로직 레벨의 5개 연속적인 비트 이후의 비트 스터프 룰(bit stuffing rule)이다. 만약 다음 비트가 보상이 아니라면, 오류가 생성된다. 스터핑은 네트워크의 진행 중인 동기화를 위해 이용할 수 있는 라이징 에지(rising edge)를 보장한다. 리세시브 비트의 스트림은 오류 프레임에서 혼동되지 않거나, 7비트 인터프레임 공간이 메시지의 끝을 표시함을 말한다. 스터프 비트는 데이터가 애플리케이션에 전송되기 전, 수신 노드의 컨트롤러를 통해 제거된다.
이 로직과 함께, 능동 오류 프레임은 6개의 도미넌트 비트로 구성되며 비트 스터핑 룰을 위반한다. 이것은 모든 CAN 노드에 의한 오류로 해석되며, 자신만의 오류 프레임을 생성한다. 이는 오류 프레임이 모든 답변을 갖춘 본래 6비트~12비트 길이에서 시작될 수 있다는 것을 의미한다. 다음 단계로 오류가 있는 메시지가 재전송 되기 전에, 오류 프레임은 8개의 리세시브 비트의 구획문자 필드와 버스 유휴 기간을 따른다. 재전송된 메시지는 여전히 버스 상에서 중재를 위해 경쟁해야 한다. <다음에 계속>
CAN, 시리얼 네트워크 버스 시스템(2)
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