Drone's DIYer

CAN(Controller Area Network) 프로토콜은 Bosch사에서 1986년 자동차 전장 용으로 처음 개발되었으며 1991년에 스펙 2.0이 발표되었고 현재 국제 표준 프로토콜로 성장하였습니다. 이는 호스트 컴퓨터 없이 3개 이상의 MCU나 controller, 장치들이 서로 다중 통신이 가능하며, 메시지는 우선순위 따라 ID(Identifier)를 할당하고 이 ID를 이용해 메시지를 구별합니다. 다양한 에러 감지 메커니즘이 상호 보완적으로 에러를 감지하기 때문에 높은 안정성을 보장하며, 메시지 전송 시 에러가 감지되면 자동적으로 해당 메시지를 즉시 재전송하는 기능이 있기 때문에 다른 프로토콜에 비해서 에러 회복 시간이 짧다는 것입니다.

차량에 적용하는 CAN 통신의 예제

버스가 유휴 상태인 경우 모든 CAN 노드는 메시지를 보낼 수 있고, 전송된 모든 메시지는 모든 노드에서 수신됩니다. 수신 노드는 ID 필터링 기준에 따라 메시지의 무시 여부를 판단합니다. 정교한 오류 감지 및 결함 격리 메커니즘과 문제가 발생한 메시지의 재전송으로 데이터 무결성과 일관성이 보장합니다. 또한 두 개 이상의 CAN 노드가 동시에 메시지 전송을 요청하는 경우 우선순위가 가장 높은 메시지가 즉시 버스 액세스 권한을 획득하도록 프로토콜이 보장합니다. 현재는 CAN의 안정성과 신뢰성 등 장점이 입증되어 항공기, 의료기 등에 사용되고 IoT application에서도 사용되는 추세입니다.

가장 쉽고 편리하고 익숙한 UART 통신은 별도의 transceiver가 필요없고 모든 MCU가 반드시 내장하게 됩니다. 그러나 보통 115200bps로 대략 10kbps로 느리며 한 바이트 통신이라는 단점이 있습니다. 예를 들어, 드론 제어를 할 경우에 다수의 센서 등과 같이 여러 바이트가 하나의 패킷이 되는 경우에는 패킷을 분리하는 작업이 용이하지 않다는 것입니다. 뿐만 아니라 UART는 하나의 장치와 두개의 선으로 독립적이야 하나 관성센서보드, 제어보드, 초음파센서보드, GPS, 무선통신만으로 5개를 초과하여 10가닥 이상이 필요하다는 것입니다.

CAN을 지원하는 MCU의 경우에는 한번에 8-byte 데이터를 전송하는 HW 패킷을 제공하므로 UART(보통 RS232/RS485) 통신에서는 패킷 통신을 위해 위에서 말한 것처럼 사용자가 일일이 패킷 형식을 만들어 주고 수신 받을 때도 그런 해석이 필요하지만 CAN은 8byte 데이터를 담는 HW 패킷 통신을 기본으로 함으로, 사용자는 데이터 버퍼에 데이터를 쓰고 전송만 하면 그 외 모든 처리는 하드웨어가 알아서 하므로 분산제어 분야 적용에도 용이하다는 것입니다.

CAN 통신의 특징:

1) 2선 twist pair를 이용한 전기적 differential 통신을 하므로 저가이며 전기적인 잡음에 매우 강해 신뢰성이 우수합니다.

2) 이론적으로 2,032개의 장치들을 연결할 수 있으나 CAN transceiver에 따라 최대 노드수(32, 64, 128...)는 달라 집니다.

3) 통신 버스를 공유하고 있는 CAN controller들은 모두가 마스터(master)가 될 수 있는 Multi-Master 통신을 합니다.

4) 40m 내에서 최대 1Mbps로 우수한 통신 속도를 갖습니다.

5) 8byte 데이터 전송을 하는 하드웨어 패킷을 제공합니다.

6) 다수의 MCU, DSP 등에 기본으로 내장되어 있습니다.

7) 통신 프로토콜/에러 처리를 하드웨어적으로 처리합니다.

8) PLUG & PLAY를 제공합니다.

CAN transceiver는 프레임이라는 패킷으로 CAN 네트워크에서 데이터를 전송하며, CAN 2.0B 버전 이후에 29bit 식별자를 갖는 extended data format의 간단한 설명입니다.

• SOF(Start Of Frame) - 메시지 시작을 표시하며, 무부하 기간 이후 버스의 노드를 동기화하기 위해 사용

• Identifier(ID, 식별자) - 메시지의 우선순위를 가리며 2진 값이 더욱 낮을수록 우선순위는 더욱 높아짐

• RTR(Remote Transmission Request) - 원격 전송 요청 비트, 이 비트가 '0'이면 데이타 프레임이고, '1'이면 메세지가 원격 전송 요청을 의미

• SRR(Substitute Remote Request) - 표준 프레임의 RTR 위치에 점유

• IDE(IDentifier Extension) - 이 비트가 '0'이면 표준 CAN 식별자를 전송하고, '1'이면 확장 CAN 식별자를 전송을 의미

• R0, R1 - 예약비트

• DLC(Data Length Code) - 데이터 프레임의 데이터 바이트 수(0~8)

• Data Field - 8byte(64bit) 전송 데이터, MSB부터 전송.

• CRC(Cyclic Redundancy Check) - 16bit(15bit + 구획문자) 16bit checksum으로 오류 검출 Field.

• ACK(ACKnowledge Field) - 2bit(1bit + 구획문자)로 오류가 없는 메시지가 전송되었다는 것을 나타냄.

• EOF(End Of Frame Field) - 메세지(프레임) 종료 Field

• IFS(Inter Frame Space) - 컨트롤러가 요구하는 시간의 양을 포함하며, 메시지 버퍼 영역에서 적절한 위치로 정확하게 수신된 프레임을 이동시킴

대표적인 CAN Transceiver로는 PCA82C250/C251가 있습니다.