CAN 통신 역사 History 배경 진화

CAN 기술의 역사

CAN 프로토콜 (CAN 사양 1.0), C 참조 CAN 모델 및 SAE 문서를 설명하는 Bosch가 발행한 최초의 문서

1986 년 2월 Robert Bosch GmbH는 SAE (Society of Automotive Engineers) 회의에서 CAN (Controller Area Network) 직렬 버스 시스템을 소개했습니다. 지금까지 가장 성공적인 네트워크 프로토콜 중 하나가 탄생 한시기였습니다. 오늘날 유럽에서 제조되는 거의 모든 신형 승용차에는 최소 하나의 CAN 네트워크가 장착되어 있습니다. 기차에서 선박에 이르기까지 다른 유형의 차량과 산업 제어 장치에도 사용되는 CAN은 가장 지배적인 버스 프로토콜 중 하나입니다. 아마도 전 세계 최고의 직렬 버스 시스템 일 수도 있습니다.

 

아이디어에서 첫 번째 칩까지

1980년대 초, Bosch의 엔지니어들은 승용차에서 사용할 수 있는 기존 직렬 버스 시스템을 평가했습니다. 사용 가능한 네트워크 프로토콜 중 어느 것도 자동차 엔지니어의 요구 사항을 충족 할 수 없었기 때문에 Uwe Kiencke는 1983 년에 새로운 직렬 버스 시스템 개발을 시작했습니다.

새로운 버스 프로토콜은 주로 새로운 기능을 추가하기로 되어 있었습니다. 배선 하니스의 감소는 단지 부산물 일뿐 CAN 개발의 원동력은 아닙니다. Mercedes-Benz의 엔지니어들은 새로운 직렬 버스 시스템의 사양 단계 초기에 참여했으며 잠재적인 주요 반도체 공급 업체로서 Intel도 참여했습니다. 컨설턴트로 고용된 독일 Braunschweig-Wolfenbüttel (현재 : Ostfalia University of Applied Science)에있는 응용 과학 대학의 Wolfhard Lawrenz 교수는 새로운 네트워크 프로토콜에 'Controller Area Network'라는 이름을 부여했습니다. 칼 스루에 대학의 Horst Wettstein 교수도 학업 지원을 제공했습니다.

1986년 2월 CAN이 탄생했습니다. 디트로이트에서 열린 SAE 회의에서 새로운 버스 시스템이 'Automotive Serial Controller Area Network'로 소개되었습니다. Uwe Kiencke, Siegfried Dais 및 Martin Litschel은 다중 마스터 네트워크 프로토콜을 도입했습니다. 이는 지연없이 가장 높은 우선 순위로 프레임에 버스 액세스를 허용하는 비파괴 중재 메커니즘을 기반으로 합니다. 중앙 버스 마스터가 없었습니다. 또한 CAN의 아버지 (위에 언급 된 개인과 Bosch 직원 Wolfgang Borst, Wolfgang Botzenhard, Otto Karl, Helmut Schelling 및 Jan Unruh)는 여러 오류 감지 메커니즘을 구현했습니다. 오류 처리에는 나머지 노드 간의 통신을 유지하기 위해 결함이있는 버스 노드의 자동 연결 해제도 포함되었습니다. 전송된 프레임은 프레임 송신기 또는 프레임 수신기 (거의 다른 모든 버스 시스템에서와 같이)의 노드 주소로 식별되는 것이 아니라 그 내용으로 식별되었습니다. 프레임의 페이로드를 나타내는 식별자는 네트워크 세그먼트 내에서 프레임의 우선 순위를 지정하는 기능도 가지고 있습니다.

이 혁신적인 통신 프로토콜을 설명하는 많은 프레젠테이션과 간행물은 1987년 중반 (예정보다 두 달 앞선)까지 이어졌습니다. 인텔은 최초의 CAN 컨트롤러 칩인 82526을 출시했습니다. 이것은 CAN 프로토콜의 최초 하드웨어 구현이었습니다. 불과 4년 만에 아이디어가 현실이 되었습니다. 그 직후 Philips Semiconductors는 82C200을 출시했습니다. CAN 컨트롤러의이 두 초기 조상은 수용 필터링 및 프레임 처리와 관련하여 매우 달랐습니다. 한편으로 Intel이 선호하는 FullCAN 개념은 Philips가 선택한 BasicCAN 구현보다 연결된 마이크로 컨트롤러의 CPU 부하가 적습니다. 반면 FullCAN 장치는 수신 할 수 있는 프레임 수에 제한이 있었습니다. BasicCAN 컨트롤러는 또한 더 적은 실리콘을 필요로 했습니다. 오늘날의 CAN 컨트롤러에서 수락 필터링과 프레임 처리의 두 개념이 혼합되어 구현됩니다. 이로 인해 오해의 소지가있는 BasicCAN 및 FullCAN 용어가 폐기되었습니다.

표준화 및 적합성

Bosch CAN 사양 (버전 2.0)은 1990년대 초에 국제 표준화를 위해 제출되었습니다. 특히 프랑스의 일부 주요 자동차 제조업체가 개발 한 'VAN (Vehicle Area Network)'과 관련된 여러 정치적 분쟁 이후 ISO 11898 표준이 1993년 11월에 발표되었습니다. CAN 프로토콜 외에도 비트에 대한 물리 계층을 표준화했습니다. 최대 1Mbit / s의 속도. 이와 동시에 CAN을 통한 저전력, 내결함성 데이터 전송 방식은 ISO 11519-2에서 표준화되었습니다. 이것은 표준의 약점으로 인해 구현되지 않았습니다. 1995년에 ISO 11898 표준은 29 비트 CAN 식별자를 사용하는 확장 프레임 형식을 설명하는 부록에 의해 확장되었습니다.

안타깝게도 게시된 모든 CAN 사양 및 표준화에는 오류가 포함되어 있거나 불완전했습니다. 호환되지 않는 CAN 구현을 방지하기 위해 Bosch는 모든 CAN 칩이 Bosch CAN 참조 모델을 준수하는지 확인했습니다. 또한 독일 Braunschweig / Wolfenbüttel에있는 응용 과학 대학은 Lawrenz 교수가 이끄는 CAN 적합성 테스트를 수년 동안 수행해 왔습니다. 사용 된 테스트 패턴은 ISO 16845 적합성 테스트 계획 표준 시리즈를 기반으로 합니다. 오늘날 여러 테스트 하우스에서 CAN 적합성 테스트 서비스를 제공합니다.

수정 된 CAN 사양이 표준화되었습니다. ISO 11898-1은 'CAN 데이터 링크 계층'을, ISO 11898-2는 '비 내결함성'CAN 물리 계층을 표준화하고, ISO 11898-3은 '내결함성 CAN 물리 계층'을 지정합니다. ISO 11992 시리즈 (트럭 및 트레일러 인터페이스) 및 ISO 11783 (농업 및 임업 기계) 시리즈는 SAE J1939 네트워크 접근 방식을 기반으로 애플리케이션 프로필을 지정합니다. 물리 계층 사양이 다르기 때문에 호환되지 않습니다.

CAN 개척자의 시대

CAN은 원래 승용차에 사용하기 위해 개발되었지만 첫 번째 애플리케이션은 다양한 시장 부문에서 나왔습니다. 특히 북유럽에서 CAN은 초기에 이미 매우 인기가있었습니다. 핀란드에서는 엘리베이터 제조업체인 Kone이 CAN 버스를 사용했습니다. 스웨덴 엔지니어링 사무소 인 Kvaser는 일부 섬유 기계 제조업체 (Lindauer Dornier 및 Sulzer) 및 해당 공급 업체에 기계 내 통신 프로토콜로 CAN을 제안했습니다. 이와 관련하여 Lars-Berno Fredriksson의지도 아래이 회사들은 'CAN Textile User 's Group'을 설립했습니다. 1989년에는 1990년대 초반 'CAN Kingdom'개발 환경을 형성하는 데 도움이 되는 커뮤니케이션 원칙을 개발했습니다. CAN Kingdom은 OSI 참조 모델과 관련하여 애플리케이션 계층이 아니지만

네덜란드에서 Philips Medical Systems는 X-ray 기계의 내부 네트워킹에 CAN을 사용하기로 결정함으로써 산업용 CAN 사용자와 합류했습니다. 주로 Tom Suters가 개발 한 'Philips Message Specification'(PMS)은 CAN 네트워크의 첫 번째 애플리케이션 계층을 나타냅니다. 독일 Weingarten에있는 응용 과학 대학의 Konrad Etschberger 교수는 거의 동일한 아이디어를 가지고 있었습니다. 그가 담당했던 Steinbeis Transfer Center for Process Automation (STZP)에서 유사한 프로토콜을 개발했습니다.

최초의 표준화된 상위 계층 프로토콜이 등장하기 시작 했음에도 불구하고 대부분의 CAN 개척자들은 모 놀리 식 접근 방식을 사용했습니다. 통신 기능, 네트워크 관리 및 애플리케이션 코드는 하나의 소프트웨어였습니다. 일부 사용자는 더 모듈 식 접근 방식을 선호했지만 여전히 독점 솔루션의 단점을 가지고 있었습니다. CAN 상위 계층 프로토콜을 향상시키고 유지하는 데 필요한 노력은 과소 평가되어 왔으며, 이는 오늘날에도 부분적으로 사실입니다.

1990 년대 초, CAN 프로토콜을 홍보하고 많은 애플리케이션에서 사용을 촉진 할 사용자 그룹을 찾을 때가되었습니다. 1992 년 1 월, 당시 VMEbus 매거진 (발행자 : Franzis)의 편집자 인 Holger Zeltwanger는 사용자와 제조업체를 모아 직렬 버스 시스템의 마케팅은 물론 CAN의 기술적 향상을 위한 중립 플랫폼을 구축했습니다. 두 달 후 'CAN in Automation'(CiA) 국제 사용자 및 제조업체 그룹이 공식적으로 설립되었습니다. 이 초창기에는 CAN 뉴스 레터가 이미 발행되었습니다.

불과 몇 주 만에 발표된 첫 번째 기술 출판물은 물리 계층에 관한 것이 었습니다. CiA는 ISO 11898을 준수하는 CAN 트랜시버만 사용하도록 권장했습니다. 오늘날 제조업체 별 EIA-485 트랜시버는 다음과 같이 CAN 네트워크에서 매우 일반적으로 사용되었습니다. 그 시간과 항상 양립할 수 없었던 것은 완전히 사라졌어야 했습니다.

CiA의 첫 번째 작업 중 하나는 CAN 애플리케이션 계층의 사양이었습니다. 다른 CiA 회원들의 도움과 함께 Philips Medical Systems 및 STZP의 기존 자료를 사용하여 'Green Book'이라고도하는 'CAN Application Layer'(CAL)가 개발되었습니다. CAN을 사용하여 사양을 개발하는 동안 CiA의 주요 작업 중 하나는 CAN 전문가와 CAN에 대해 더 잘 알고 싶어하는 전문가 간의 정보 교환을 구성하는 것이 었습니다. 따라서 1994년부터 국제 CAN 컨퍼런스 (iCC)가 개최됩니다.

LAV에서 또 다른 학문적 접근 방식을 추구했습니다 : 독일 농업 차량 협회. 1980년대 후반부터 농업용 차량용 CAN 기반 버스 시스템 (LBS)이 개발되었습니다. 그러나 작업이 성공적으로 완료되기 전에 국제위원회는 미국 솔루션인 J1939 (ISO 11783)를 채택하기로 결정했습니다. CAN을 기반으로하는이 애플리케이션 프로필은 SAE 트럭 및 버스 협회의위원회에서 정의했습니다. J1939는 사용하기 매우 쉬운 비 모듈식 접근 방식이지만 유연성도 떨어집니다.

CAN의 표준화는 트럭용으로도 개발되었습니다. 트럭과 트레일러 간의 네트워킹은 ISO 11992로 표준화되었습니다.이 프로토콜은 J1939를 기반으로 하며 2006 년부터 유럽에서 사용해야 합니다. 자동차의 추세는 통신 프로토콜 및 네트워크 관리인 OSEK-COM 및 OSEK-NM으로 이동합니다. . 둘 다 국제 표준화를 위해 제출되었습니다. 그러나 자동차 제조업체는 지금까지 독점 소프트웨어 솔루션을 사용해 왔습니다.

이론에서 실천으로

물론 마이크로 컨트롤러에 CAN 코어를 구현한 반도체 공급 업체는 주로 자동차 산업에 초점을 맞추고 있습니다. 1990년대 중반부터 Infineon Technologies (이전 Siemens Semiconductors)와 Motorola (Freescale로 아웃소싱하고 나중에 NXP에 인수됨)는 유럽 승용차 제조업체 및 공급 업체에 대량의 CAN 컨트롤러를 배송했습니다. 다음 물결로 극동 반도체 공급 업체는 1990 년대 후반부터 CAN 컨트롤러를 제공했습니다. NEC는 1994년에 전설적인 CAN 칩 72005를 내놓았지만 너무 이르렀습니다. 부품은 상업적으로 성공하지 못했습니다.

1991년부터 Mercedes-Benz는 고급 승용차에 CAN을 사용해 왔습니다. 첫 번째 단계로 엔진 관리를 담당하는 전자 제어 장치가 CAN을 통해 연결되었습니다. 1995년 BMW는 시리즈 7 자동차에 5개의 ECU (전자 제어 장치)가있는 트리 / 스타 토폴로지 CAN 네트워크를 사용했습니다. 두 번째 단계에서는 차체 전자 장치에 필요한 제어 장치가 이어졌습니다. 두 개의 물리적으로 분리 된 CAN 네트워크가 구현되었으며 종종 게이트웨이를 통해 연결되었습니다. 다른 자동차 제조업체는 슈투트가르트의 동료 사례를 따랐으며 일반적으로 승용차에 두 개의 CAN 네트워크를 구현했습니다. 오늘날 그들은 모두 차량에 여러 CAN 네트워크를 구현합니다.

1990년대 초, 미국 기계 엔지니어링 회사 인 Cincinnati Milacron의 엔지니어는 CAN 기반 제어 및 통신 프로젝트에 대해 Allen-Bradley 및 Honeywell Microswitch와 함께 합작 투자를 시작했습니다. 그러나 잠시 후 중요한 프로젝트 구성원이 직업을 바꾸고 합작 투자가 무너졌습니다. 그러나 Allen-Bradley와 Honeywell은 별도로 작업을 계속했습니다. 이로 인해 적어도 하위 통신 계층에서는 상당히 유사한 두 개의 상위 계층 프로토콜 'DeviceNet'과 'Smart Distributed System'(SDS)이 생겼습니다. 1994 년 초 Allen-Bradley는 DeviceNet 사양을 'ODVA (Open DeviceNet Vendor Association)'로 넘겨 DeviceNet의 인기를 높였습니다. Honeywell은 SDS와 비슷한 방식으로 진행하지 못했습니다. 따라서 SDS는 Honeywell Microswitch의 내부 솔루션처럼 보입니다. DeviceNet은 공장 자동화를 위해 특별히 개발되었으므로 Profibus-DP 및 Interbus와 같은 프로토콜에 대한 직접적인 반대자 역할을 합니다. 기성 플러그 앤 플레이 기능을 제공하는 DeviceNet은 미국의 특정 시장 부문에서 선도적인 버스 시스템이되었습니다.

유럽에서는 여러 회사에서 CAL을 사용하려고 했습니다. CAL 접근 방식이 학문적으로 정확하고 산업용 애플리케이션에서 사용할 수 있었지만 CAL이 진정한 애플리케이션 계층이기 때문에 모든 사용자가 새로운 프로필을 설계해야 했습니다. CAL은 응용 프로그램에 독립적인 CAN 솔루션에 필요한 학문적 단계로 볼 수 있지만 이 분야에서 널리 채택되지는 않았습니다.

1993 년부터 Esprit 프로젝트 ASPIC의 범위 내에서 Bosch가 이끄는 유럽 컨소시엄은 CANopen이 될 프로토 타입을 개발해 왔습니다. 생산 셀의 내부 네트워킹을 위한 CAL 기반 프로필이었습니다. 학문적 측면에서,로 이틀 링겐 (독일)에있는 응용 과학 대학의 Gerhard Gruhler 교수와 영국 뉴캐슬 대학의 Mohammed Farsi 박사가 가장 성공적인 Esprit 활동 중 하나에 참여했습니다. 프로젝트가 완료된 후 CANopen 사양은 추가 개발 및 유지 관리를 위해 CiA에 전달되었습니다. 1995 년에 완전히 개정 된 CANopen 통신 프로파일이 발표되었고 불과 5년 만에 유럽에서 가장 중요한 표준화된 임베디드 네트워크가 되었습니다.

최초의 CANopen 네트워크는 내부 기계 통신, 특히 드라이브에 사용되었습니다. CANopen은 매우 높은 유연성과 구성 가능성을 제공합니다. 매우 다른 여러 응용 분야 (산업 자동화, 해양 전자, 군용 차량 등)에서 사용 된 상위 계층 프로토콜은 그 동안 EN 50325-4 (2003)로 국제적으로 표준화되었습니다. CANopen은 특히 유럽에서 사용되고 있습니다. 이탈리아의 사출 성형기, 독일의 목재 톱 및 기계, 영국의 담배 기계, 프랑스의 크레인, 오스트리아의 핸들링 기계, 스위스의 시계 제조 기계는 산업 자동화 및 기계 제작 분야의 몇 가지 예에 불과합니다. 미국에서는 CANopen이 지게차용으로 권장되고 있으며 문자 분류 기계에 사용되고 있습니다.

CANopen은 애플리케이션 계층과 통신 프로필을 정의 할 뿐만 아니라 프로그래밍 가능한 시스템과 다양한 장치, 인터페이스 및 애플리케이션 프로필을 위한 프레임 워크도 정의합니다. 이것이 전체 산업 부문 (예 : 인쇄 기계, 해양 애플리케이션, 의료 시스템)이 1990년대 후반에 CANopen을 사용하기로 결정한 중요한 이유입니다.

DeviceNet 및 CANopen을 사용하면 두 개의 표준화된 (IEC 62026-3 resp. EN 50325-4 / 5) 애플리케이션 레이어를 사용할 수있어 다양한 산업 자동화 시장에 대응할 수 있습니다. DeviceNet은 공장 자동화에 최적화되어 있으며 CANopen은 모든 종류의 기계 제어에서 임베디드 네트워크에 특히 적합합니다. 이로 인해 독점 애플리케이션 레이어가 쓸모 없게 되었습니다. 응용 프로그램별 응용 프로그램 계층을 정의해야 하는 필요성이 역사가 되었습니다 

시간 트리거 통신

2000년 초에 여러 회사가 참여한 ISO 태스크 포스가 CAN 프레임의 시간 트리거 전송을 위한 프로토콜을 정의했습니다. Bernd Mueller 박사, Thomas Fuehrer 및 기타 Bosch 직원은 반도체 업계 및 학술 연구 전문가와 함께 '시간 트리거 CAN on CAN'(TTCAN) 프로토콜을 정의했습니다.

이 CAN 확장을 통해 프레임의 시간 등거리 전송과 CAN을 통한 폐쇄 루프 제어 구현이 가능 해졌을뿐만 아니라 x-by-wire 애플리케이션에서도 CAN을 사용할 수 있었습니다. CAN 프로토콜이 변경되지 않았기 때문에 동일한 물리적 버스 시스템을 통해 시간 트리거 프레임과 이벤트 트리거 프레임을 전송할 수 있습니다. 그러나 자동차 산업은 TTCAN을 채택하지 않았습니다. 또한 산업 사용자는 시간 트리거 프로토콜 확장을 거의 사용하지 않았습니다. 대신 CANopen에 지정된 동기식 전송 기능을 사용하여 소프트 시간 트리거 방식을 사용했습니다.

당국의 승인

90 년대 후반에 몇 가지 독점 CAN 기반 안전 프로토콜이 발명되었습니다. Survived에는 독일 Pilz의 Safetybus p가 있습니다. 1999 년에 CiA는 독일 TÜV에서 승인 한 CANopen-Safety 프로토콜을 개발하기 시작했습니다. 표준화 기구에서 많은 정치적 대리인이 참여한 후이 CANopen 확장 (CiA 304)은 EN 50325-5 (2009)에서 국제적으로 표준화되었습니다.

DeviceNet은 CIP Safety 프로토콜 확장을 사용합니다. 세계 최고의 선급 협회 중 하나인 Germanischer Lloyd는 해양 응용 분야를위한 CANopen 프레임 워크 (CiA 307)를 승인했습니다. 무엇보다도 이 프레임 워크는 기본 CANopen 네트워크에서 중복 버스 시스템으로의 자동 전환을 지정합니다. 이러한 기능은 현재 일반화되고 추가 CANopen 애플리케이션 계층 기능의 CiA 302 시리즈에 지정되어 있습니다.

CAN FD 개발

2011 년 초, General Motors와 Bosch는 더 높은 처리량과 관련하여 일부 CAN 프로토콜 개선을 개발하기 시작했습니다. 자동차 산업은 특히 증가하는 소프트웨어 패키지를 전자 제어 장치 (ECU)에 최종 라인으로 다운로드할 때 어려움을 겪었습니다. 이 시간 소모적인 작업은 고성능 통신 시스템으로 단축되어야 했습니다. 두 번째 비트 전송률을 도입하여 CAN의 전송 속도를 높이는 아이디어는 새로운 것이 아닙니다. 2000 년 초부터 여러 학자들이 접근 방식을 발표했습니다. 그러나 그들 중 어느 것도 자동차 제조업체를 설득 할만큼 성숙하지 않았습니다. 다른 CAN 전문가들과 협력하여 Bosch는 2012 년 독일 함 바흐 성에서 열린 제 13회 국제 CAN 컨퍼런스에서 공식적으로 소개된 CAN FD 사양을 사전 개발했습니다.

ISO의 표준화 과정에서 제안된 오류 감지 메커니즘에서 몇 가지 학문적 약점이 발견되었습니다. 이를 위해서는 CAN FD 프로토콜을 검토하고 추가 보호 장치 (예 : stuff-bit 카운터)를 도입해야했습니다. 이것이 ISO 11898-1에서 표준화된 ISO CAN FD 프로토콜과 호환되지 않는 비 ISO CAN FD 프로토콜이 있는 이유입니다.

Daimler의 Mark Schreiner 박사는 CAN FD 네트워크를 설계하기 위한 많은 힌트와 꼬임을 제공했습니다. 그의 아이디어 중 상당수는 CAN FD 노드 및 시스템 설계 권장 사항 및 사양의 CiA 601 시리즈에 통합되어 있습니다.

CAN의 미래는 밝습니다

CAN FD 프로토콜의 도입으로 CAN 기술의 수명이 연장되었습니다. 자동차 산업은 이미 차세대 차량 내 네트워크에 CAN FD 프로토콜을 채택하기 시작했습니다. 향후 모든 애플리케이션에서 CAN FD 프로토콜을 사용할 것으로 예상 할 수 있습니다. 더 높은 대역폭이 필요한지 여부는 중요하지 않습니다. 단일 비트 타이밍 설정으로 CAN FD를 계속 사용할 수 있습니다. 페이로드 길이는 어쨌든 0에서 64 바이트까지 구성 할 수 있습니다.

더 많은 대역폭이 필요하고 하이브리드 토폴로지가 필요한 사람들을 위해 CiA는 소위 SIC (신호 개선 회로) 트랜시버 사양 (CiA 601-4)을 개발했습니다. 원래 아이디어는 일본 Tier-1 공급 업체 인 Denso에서 나왔습니다.

CiA는 또한 CAN FD 하위 계층을 기반으로하는 CANopen FD 프로토콜을 개발했습니다. 특히 산업용 모션 제어 애플리케이션의 경우 더 높은 전송 속도와 더 긴 페이로드 (최대 64 바이트)를 매우 환영합니다. CiA는 또한 SAE J1939 시리즈에 지정된 기존 매개 변수 그룹을 사용하는 상용차용 CAN FD 기반 애플리케이션 계층 개발에 참여하고 있습니다.

3 세대 CAN

2018년 말 CiA는 3 세대 CAN 기반 데이터 링크 계층 프로토콜인 CAN XL의 개발을 시작했습니다. Volkswagen의 요청에 의해 시작되었습니다. Carsten Schanze와 Alexander Mueller는 많은 첫 번째 아이디어를 제공했습니다.