CANバス/プロトコルの概要と特長 (日本語ブログ)

[Keita_Nagashima]

CANの概要

 

CANとは？

Controller Area Networkの略で、×Car Area Networkではありません。

シンプルで信頼性が高く、自動車や産業機器など幅広い分野で利用されているネットワークです。

～CANの歴史～

年	歴史
1986	Bosch は最初の CAN プロトコルを公式にリリースし、その後すぐに Philips (現在の NXP) がCANコントローラを統合したMCUをリリースした最初の半導体メーカーの 1つとなりました。
1993	国際標準化機構 (ISO) は CAN を ISO 11898 として標準化しました。その後、3つの標準に分割されました。 ・ISO 11898-1 は、プロトコルのデータ リンク層を記述 ・ISO 11898-2 は、高速 CAN (最大ボーレート 1Mbps) の物理層を記述 ・ISO 11898-3 は、後にリリースされ、フォールト トレラント CAN としても知られる低速 CAN (最大ボーレート 125kbps) の CAN 物理層をカバー
2012	Bosch は、より高いデータレートに対応する進化した標準規格である CAN FD 1.0 (CAN with Flexible Data-Rate) をリリースしました。
2018	CAN XL (CAN with Extended Length)が登場。より高いデータ レート、データ長を実現

～CANの種類と比較～

項目	(Classic) CAN	CAN FD	CAN XL
登場年	1986	2012	2018
最大データ長	8バイト	64バイト	2048バイト
最大伝送速度	1 Mbps	5～8 Mbps	10~20 Mbps
フレーム形式	標準フレーム : 11ビットID	標準フレーム : 11ビットID 拡張フレーム : 29ビットID	標準フレーム : 11ビットID
互換性	-	CANと後方互換	CAN FDと後方互換

＊CAN XLでは、データ長が2048バイトに増えたことにより、Ethernet(最大 1500バイト)との親和性が上がりました。例えば、Ethernet to CAN XL または CAN XL to Ethernetのプロトコル変換を行う際に、1フレームでパッケージングすることができます。
Ethernet to CAN FDでは、64バイト毎にデータをぶつ切りにしてフレームを作る必要がありました。

～CANのフレームフォーマット比較～

例：CAN FDの標準データ フレーム フォーマット

データサイズが16 Byteまでの場合：

データサイズが20 ～ 64 Byteの場合：

フィールド	説明
SOF (フレーム開始)	メッセージが来ていることを他のECUに伝えるためにドミナント「0」を送信。
Arbitration ID (Base ID) (以後"ID"と記載)	メッセージと優先度を識別。標準 CAN (CAN 2.0A) フレームの ID は 11 ビット、拡張 CAN (CAN 2.0B) フレームの ID は 29 ビット。
RRS (リモート送信要求)	Remote Request Substitutionとして、ドミナント「0」固定。
IDE	標準フォーマット フレーム (11 ビット識別子) か拡張フォーマット フレーム (29 ビット識別子) かを示す。
FDF	フレキシブル データ フォーマット (FDF) ビットと呼ばれている。フレームがクラシック CAN か CAN FD かを示す。 ドミナント「0」：CAN リセッシブ「1」：CAN FD
res	予約ビット。ドミナント「0」固定。
BRS	Bit Rate Switch。BRSビットのサンプリングポイントで、高速なBit Rateへと切り替え。＊サンプリングポイントの調整は要注意。
ESI	Error State Indicator。送信ノードのエラー状態を伝える。ドミナント「0」でError Active。
DLC (データ長コード)	データの長さをバイト単位で格納 (0～64 バイト)
Data	実際のデータ値が含まれます。長さは DLC フィールドによって決まる。
Stuff count	CAN FDで追加された4bitの領域。SOFからData Fieldまでに含まれるスタッフビットの総数を8で割った余りを3bit長でグレイコード化した値で格納。4bit目には偶数パリティを格納。
CRC (巡回冗長検査)	データの整合性をチェックするエラー検出コード。
CRC delimiter (区切りビット)	リセッシブ「1」である必要あり。
ACK(確認応答スロット)	CRC プロセスが正常であることを確認。
ACK delimiter (区切りビット)	リセッシブ「1」である必要あり。
EOF (フレームの終了 )	7 ビット。フレームの終了は、リセッシブ「1」で示す。

CANの特長

CANの代表的な特長を５つ紹介します。

特長１：各ECUは同じバスを共有

特長２：シンプルなバス構成と差動信号により信頼性を上げる

・CANバスでは、デジタルデータとして”0”と”1”を送受信します

・“0”のことを「ドミナント(Dominant)」、”1”のことを「リセッシブ(Recessive)」と呼びます。

特長３：優先度は、ID番号が小さい方が勝つ！

・複数のノードが同時に送信を開始する可能性があります。この場合、優先度の高いメッセージが最初にバスへのアクセスを「獲得」します。

・以下のようにDevice AのID = 11001000111 (0x647)で、Device BのID = 11011111111 (0x6FF)が同時に送信した場合、Device AのID番号が小さいので、メッセージの送信が継続されます。Device Bが、バスが空いたときに再送するため待機します。

特長４：必要なデータをフィルタして受信できる (CAN, CAN FD)

・バス上のすべてのノードはメッセージの送信と受信の両方が可能で、常にブロードキャストされるメッセージを待ち受けています。すべてのノードにおいて、メッセージを送信するとブロードキャストされます。

・各ノードのCAN コントローラは、ブロードキャストされたメッセージのIDをチェックし、そのID が特定の範囲内にある場合はメッセージを受け入れ、範囲外のメッセージを無視するフィルタを実装できます。

・下図の例では、ノード 1 が現在の車両速度のメッセージを送信するとします。メッセージには ID 0x121 のタグが付けられているので、

  - ノード 2 は、0x100 ～ 0x1FF の範囲のID を持つデータを受け入れます。

  - ノード 3 は、0x320 ～ 0x352 の範囲のID を持つデータを受け入れますが、今回のメッセージの ID はこの範囲外であるため、データを無視します。

特長５：エラー検出機能による信頼性の向上

車載システムや産業機器など、障害が許されないシステムでは、信頼性が不可欠です。信頼性の向上には、豊富なエラー検出手法が使用されており、メッセージ レベル、ビット レベルで エラー・チェック手法が組み込まれています。これらのいずれかでエラーを検出すると、メッセージは受信されず、受信ノードからエラーフレームが生成されます。

・メッセージレベルでは、CRCチェック (受信ノードが演算したCRC値と、送信フレームに含まれるCRC値が合致しなかった時に、CRCエラーとする)や、フォームチェック (SOF、EOF、ACK デリミタ、CRCデリミタビットは論理が固定されているため、反対の論理が検出された場合はエラーとする)があります。

・ビットレベルでは、送信ノードは自身の送信メッセージを自身で受信して、ビット単位で監視します(ビットモニタリング)。バスに送信したデータビットと反対のビットが読み取られると、エラーが生成されます。

・また「ビットスタッフィングルール」という同じ論理レベルのビットが5回連続すると、スタッフビット(5回連続したビットとは反対の状態ビット)が挿入される仕組みがあります。これにより、ネットワークの同期を維持するためのエッジが確保されます。スタッフィングされたフレームは、受信ノードによってデスタッフィングされます。ビットスタッフィングは、CRCデリミタ、ACKフィールド、EOFを除くフレーム内のすべてのフィールドに適用されます。同じ極性のビットが6回連続すると、ビットスタッフィングルールに違反するため、エラーとみなされます。

特長のまとめ

上記の点をまとめると、CAN バスは自動車および産業用途で多くのメリットを提供します。

・低コスト - 各 ECU ・ノードは、単一の CAN インターフェースを介して通信できるため、配線数の削減、配線重量の低下、コスト削減に貢献します。

・堅牢 – CAN の高速バス ラインは電気的障害に対する耐性が非常に高く、差動信号を用いることで耐ノイズ性にも優れています。一部の CAN コントローラとレシーバーは産業用/拡張温度範囲で使用できます。

・優先度 – フレームの初めに含まれるArbitration IDにより優先度を決定し、メッセージ同士の衝突を回避することができます。

・フィルタ – ネットワーク上の各ノードは、送信されたメッセージを送受信し、メッセージが適切か無視すべきかを判断できます。

・エラー検出 – CAN仕​​様には、各ノードが送信エラーをチェックするエラー処理機能が組み込まれています。これにより、信頼性を高めることができます。

さいごに

・CANは長年使われているネットワークであり、NXPはCANの老舗です。NXPでは、CANコントローラを統合したマイコンやプロセッサ、CANトランシーバ、システムベースチップ、そしてこれらすべてをサポートする開発ツール、ソフトウェア、各種ドキュメント、技術サポートなど、さまざまなCANソリューションを提供しています。

・CANを使い始めるには、S32 Design Studio IDE 、MCUXpresso IDE 、モデルベース・デザイン・ツールボックス（MBDT）に含まれるサンプルを用います。

・CANを実際に動かしてみた記事はこちら。

　１．CANをループバックで動作確認。テストにはFRDMボード１台でOK。

• 　NXPのMCXマイコンとSDKを使ってCANのループバックを動かしてみた (日本語ブログ)　

　２．CAN通信を行うと共に、CANFDフレームを取得し解説。＊テストにはFRDMボード２台必要。

• 　NXPのMCXマイコンを使ったCAN通信の基本：2台接続での実機テスト (日本語ブログ)

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