CAN, 시리얼 네트워크 버스 시스템(2)

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 버스
그림 1의 데이터 링크 및 물리 신호 계층은 시스템 사업자에게 분명한 것으로, 고집적 CAN 컨트롤러와 함께 TI의 TMS320LF2407 3.3V DSP와 같은 CAN 프로토콜을 구현시키는 모든 컨트롤러에 포함된다. 물리층 매체에 대한 연결은 ISO 11898 표준이 그림 6에서 전자제어장치 (ECU: Electronic Control Unit)로 언급된 것이다. 이는 TI의 SN65HVD230 3.3V CAN 트랜시버와 같은 라인의 트랜시버를 통해 구현된다.
그림 6. 전자제어장치의 세부사항
신호를 보내는 것은 CAN이 강력한 잡음 면역과 오류 허용을 유도하는 위치에서 차이가 있다. 밸런스(Balanced) 차동형 신호는 노이즈 커플링(Noise Coupling)을 감소시키고, 꼬임쌍선(Twisted-pair Cable) 에서 높은 신호 속도를 허용한다. 밸런스는 각 신호 라인에 흐르는 전류가 동일하지만, 방향이 반대이며 저잡음 방출에 대한 해결 방안인 필드 취소 효과(Field-canceling Effect)를 가져온다. 밸런스 차동형 수신기의 사용과 꼬임쌍선은 CAN 버스의 일반 모드 거부 및 높은 잡음 면역성을 향상시킨다. 무부하 리세시브 상태에서 버스의 2개 신호 라인 CANH와 CANL은 약 2.5 V에 수동으로 바이어스 된다. 버스에서 도미넌트 상태는 CANH 약 1V를 3.5V로 높게 하며, CANL은 약 1V를 1.5V로 더 낮게 해, 그림 7에서처럼 일반적인 2V 차동 신호를 만들어 낸다.
그림 7. SN65HVD230의 CAN 도미넌트 및 리세시브 버스 상태
CAN 표준은 버스에 연결된 모든 노드가 링크되고, 이 노드가 다른 노드와 신호를 교환하는 통신 네트워크로 정의한다. 중앙 제어 노드는 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있다. 노드는 언제라도 추가될 수 있다. 심지어 네트워크가 작동 중(핫플러그)에도 추가될 수 있다.
이 노드는 이론적으로 스마트 센싱 기술과 모터 컨트롤러에서 메시지를 전송할 수 있다. 실제 애플리케이션은 온도 업데이트를 발송하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 온도 업데이트는 팬의 모터 속도를 조정하기 위해 사용된다. 압력 센서 노드가 동시에 메시지를 전송하기를 원할 경우, 중재는 메시지를 전송한다. 예를 들어 그림 8과 9에서 모드 A가 메시지 전송을 마무리 할 때, 노드 B와 C는 수신되는 정확한 메시지를 승인한다. 그 후에 노드 B와 노드 C는 중재를 시작한다. – 노드 C는 중재에 도달해 메시지를 전송한다. 노드 A와 노드 B는 C의 메시지를 승인하며, 노드 B는 이 메시지를 지속시킨다. 버스의 드라이버 입력과 출력의 반대 극성을 명심해야 한다.
그림 8. CAN 버스 트래픽
그림 9. CAN 테스트 버스
CAN 트랜시버 특징
전원 전압
SN65HVD251과 같은 대부분 CAN 트랜시버는 ISO 11898 표준에서 요구하는 단일 레벨 5V 전원 공급장치를 요구한다. 고효율성 회로 설계 관심에 따라, TI의 SN65HVD23x CAN 트랜시버 제품군은 3.3V 전원 공급장치에서 작동하며, 동일한 버스에서 5V CAN 트랜시버와 상호 작동할 수 있다. 이를 통해 설계자들은 50% 이상까지 전체 노드 전력을 감소시킬 수 있다.(그림 10)
그림 10. 3.3V CAN 트랜시버 전력 절감
TI의 고집적 CAN 컨트롤러를 갖춘 TMS320C240x(의 DSP 제품군처럼 3.3V 기술을 사용하는 애플리케이션 경우, 5V 전원 공급장치의 필요성은 제거될 수 있다. 3.3V 트랜시버를 사용으로 인해 전력 절감 외에도 노드에 적합한 전반적인 부품 수를 감소시켜 준다. 따라서 시스템 비용이 감소되고 시스템 신뢰성이 증가한다.
SN65HVD251은 5V 구동형 트랜시버를 요구하는 기존 시스템 설계자들을 위한 것으로 일반적으로 사용되는 PCA82C250과 PCA82C251에 적합한 대안으로 이용할 수 있다. ‘HVD251이 ’82C250과 ’82C251을 위한 드롭인(drop-in) 대체품인 반면, 이것은 더 높은 ESD 방지, 더 짧은 루프 지연, 더 폭넓은 커먼 모드 범위의 추가 특징을 제공한다.
높은 단락 회로 방지 특성
CAN 표준은 각 트랜시버, 전원 공급장치, 접지가 버스 와이어 단락 회로에서 견뎌내는 것을 추천한다. 이것은 트랜시버가 버스 케이블 극성 전도, 케이블 러쉬, 고전력 전원장치가 우연한 단락으로 인해 손상 받지 않도록 한다. ‘HVD23x’는 -4V ~ 16V의 범위에서의 전압이 단락회로를 견뎌내는 반면, ‘HVD251은 -36V ~ 36V 범위에서의 전압이 확장된 단락 회로 방지 기능을 제공한다.
높은 ESD 방지
스태틱(Static) 충전은 정지 시, 다른 소재의 물리적 접촉에 의해 발생하는 언밸런스 전기 충전이다. 표면이 전자를 얻는 반면, 다른 표면은 전자를 상실한다. 이것은 스태틱 충전으로 알려진 언밸런스 전기 조건의 결과이다. 스태틱 충전은 표면에서 또 다른 표면으로 이동시킬 때, ESD(Electrostatic Discharge)로 불린다. 2개의 표면에서 전압 차동이 충분히 높아, 2개 표면으로 분리된 매개의 절연 내력(Dielectric Strength)을 진압할 때만 발생할 수 있다.
ESD는 4가지 방법 중 하나만으로도 발생할 수 있다. 충전된 바디는 IC를 접촉하고, 충전된 바디는 접지형 표면을 접촉하며, 충전된 기계는 IC를 접촉한다. 또는 정전계(Electrostatic Field)가 진압할 수 있을 정도로 충분한 유전체 전반에 걸쳐 전압을 유도할 수 있다. 높은 ESD 정격은 강점을 가진 트랜시버를 가리킬 뿐만 아니라, 강력한 회로 설계를 제안하기도 한다.
이미 출시된 가장 빠른 CAN 트랜시버는 버스 핀에서 최대 2 kV, 4 kV ESD를 갖는 반면, CAN 트랜시버의 HVD2xx 제품군은 버스 핀에서 16kV 만큼 높은 ESD 정격을 가지고 있으며, JEDEC Standard 22, Test Method A114-A의 HBM(human body model)과 함께 테스트 된다. 이러한 ESD 정격과 함께 TI HVD2xx CAN 트랜시버들은, 다른 벤더들의 초기 트랜시버 버전과 비교해 오토모티브 및 산업용 애플리케이션의 거친 전기적 환경에 더욱 적합하다.
폭넓은 커먼 모드(Common-mode) 범위
커먼 모드 잡음은 버스에서 전송 및 수신 노드 접지 간의 잠재적인 차이점이다. CAN 애플리케이션에서 흔히 발견되는 네트워크 장비의 경우, 문제에서 발생할 수 있는 효과는 간헐성 리부트(Reboot), 락업(Lockup), 불량 데이터 전송, 트랜시버에 대한 물리적 손실 등이다.
일반적인 CAN 노드 간의 접지 잡음 및 전원 공급장치의 높은 단계를 수용하도록 설계되지 않는다면. 네트워크 인터페이스 카드, 병렬 포트, 직렬 포트, 특히 트랜시버는 오류의 형태를 위한 기본 타깃이 된다.
HVD230 제품군은 표준이 요구하는 -2 V ~ 7 V의 버스 전압 범위에서 안전하게 작동하도록 설계되었다. ‘HVD251’은 -7 V ~ 12 V에서 작동하는 것 이상으로 작동 범위를 안전하게 확장했다.
커먼 모드 제거 (Common-Mode Rejection)
다양화된 크기의 커먼 모드 잡음은 CAN 애플리케이션과 관련된 네트워크 내 존재한다. 모터 컨트롤러, 스위치 모드 전원 장치의 펄스를 통한 잡음이나 형광등의 잡음은 버스 라인에 커플되는 일반적 잡음 소스이다.(그림 11 참조)
그림 11. 4번 트위스트 페어 버스 라인으로 커플되는 커먼 모드
커플된 잡음을 제거하도록 특별히 설계되지 않은 CAN 트랜시버는 커먼 모드 잡음에 반응한다. 마치 이것이 버스의 데이터인 것처럼 컨트롤러에 의미 없는 데이터를 보낸다. ‘HVD23x와 ‘HVD251은 커먼 모드 잡음 제거를 위한 성능을 설계하고 테스트한다.
고입력 임피던스
높은 버스 입력 임피던스는 표준의 30노드 이상에서 버스에 덧붙일 수 있는 수많은 노드를 증가시킨다. 높은 임피던스는 커먼 모드 전압 상태에서 버스로 수신기가 싱크되거나 소스되는 전류 양을 제한한다. 이러한 상황으로 메시지를 전송하는 드라이버는 버스의 수신기 전류합계로부터 과도한 전류 양을 싱크하거나 소스하는 것이 필요 없다.
제어형 드라이브 출력 변환 시간
드라이버 출력 슬루 레이트(Slew-rate)를 제어하는 것은 도미넌트 비트의 상승 시간을 완화시켜 신호 품질을 향상시키고, 스터브(Stub) 길이와 비트 오류 속도의 향상을 제공한다.
저전류 대기 모드 및 절전 모드 점점 많은 전자 제품이 설계되면서, 수많은 애플리케이션들은 저전력에 관심을 돌리고 있다. ‘HVD230의 대기모드는 리슨 온리(Listen only) 모드로 일반적으로 되는데, 대기 상태에서 ‘HVD230의 드라이버 회로는 스위치를 끄는 반면 수신기는 버스 활동을 지속적으로 모니터하기 때문이다. 버스에서의 도미넌트 비트 발생에, 수신기는 DSP/CAN 컨트롤러로 이 정보를 통과시키고, 차례로 대기 상태에 있는 회로를 활성화시킨다.
‘HVD230과 ‘HVD231의 차이점은 드라이버와 수신기 회로 모두가 HVD231에서 스위치를 끄는 것과 저전력 절전 모드(Sleep Mode)를 만들어 낸다는 것이다.
온도 셧다운 방지
CAN 트랜시버의 또 다른 특징은 ‘HVD23x와 ‘HVD251의 온도 셧다운 회로이다. 파괴성 전류 (Destructive Current)에 대해 디바이스를 보호하고 단락 회로 상태에서 발생할 수 있는 열로부터 디바이스를 보호한다. 일단 온도 샷다운이 활동하면, 디바이스는 회로가 서늘해질 때까지 샷다운을 남겨둔다.
글리치(Glitch) 프리 파워 업 & 파워 다운
이 기능은 네트워크를 교란시키지 않으면서 구동형 버스에 핫플러그를 제공한다. ‘HVD23x와 ‘HVD251의 드라이버 및 수신기 핀을 내부에서 수동으로 높게 잡아당기는 반면, 버스 핀은 고 임피던스 리세시브 상태에서 내부에서 바이어스 되어 있다. 이것은 진행 중인 버스 통신을 방해하지 않으면서 알려진 리세시브 조건에 파워업(Power-Up)을 위해 제공된다.
전원이 공급되지 않은 노드는 버스를 방해하지 않음
출시된 여러 개의 CAN 트랜시버는 전력이 공급되지 않았을 때, 낮은 출력 임피던스를 가지고 있다. 낮은 임피던스는 디바이스가 버스에 나타난 신호를 싱크시키게 하며 데이터 전송이 도는 것을 막는다. ‘HVD23x와 ‘HVD251는 전력이 공급되는 조건과 공급되지 않는 조건에서 매우 높은 출력 임피던스를 가지고 있으며, 전력이나 접지가 회로에서 제거되었을 때 버스를 유지한다.
버스 길이와 신호 속도의 관계
중재는 기본적으로 메시지 최초 비트의 프론트 파형이 네트워크의 가장 먼 노드에 전달되고, 이 비트가 도미넌트나 리세시브(일반적으로 이 샘플은 약 2/3 비트 폭에서 만들어 진다)로 전송 노드의 수신기에 의해 나타내기 전에 다시 되돌아 오는 것을 요구한다. 이러한 한계로, 최대 버스 길이 및 신호 속도는 네트워크 파라미터에 따라 결정된다.
네트워크 설계에서 고려되어야 할 요소들은 일반적인 꼬임쌍선 버스 케이블의 약 5 ns/m 전파 지연, 케이블의 손실 메커니즘으로 인한 신호 크기 손실, 버스 트랜시버의 입력 임피던스이다. 정밀 분석 아래, 시스템안에서의 오실레이터 사이의 편차는 신호 속도 및 버스 길이의 조절을 통해 설명된다. 여러 개의 버스 길이를 갖춘 고속 모드에서 SN65HVD230로 달성되는 최대 신호 속도는 표 2에서 볼 수 있다.
표 2. 다양한 케이블 길이에 대한 최대 신호 속도
ISO 11898 표준 스펙은 40m의 최대 버스 길이와 최대 30노드를 갖춘 0.3m의 최대 스터브로 정해진다. 그러나 주의 깊은 설계로 더 긴 케이블, 더 긴 스터브 길이, 수많은 노드가 버스에 더해질 수 있다 – 신호 속도에서 항상 트레이드 오프된다. HVD230과 같은 고입력 임피던스는 버스에서 노드 수를 증가시키기 위해 필요하다.
케이블은 120Ω 특성 임피던스(Zo)로 차폐(Shielded)되거나 차폐되지 않는 꼬임 상으로 규정된다. 표준은 단일 트위스트 페어 케이블이 되는 상호접속(Interconnection)으로 정의된다. 상호접속은 신호 반사를 방지하기 위한 라인의 특징적인 임피던스와 동일한 레지스터로 양 끝단에서 완료된다. 그 다음 노드는 종결되지 않은 드롭 케이블, 혹은 스터브를 갖춘 버스에 연결되며, 이는 신호 반사를 최소화하기 위해 가능한 짧게 유지되어야 한다.
커넥터는 표준으로 규정되지 않았지만 최소 VOD와 같은 표준 작동 파라미터에 영향을 미쳐서는 안 된다. 비차폐 케이블은 수많은 애플리케이션에서 사용된다 해도, CAN 트랜시버를 이용한 데이터 전송 회로는 광범위한 커먼 모드 전압 범위를 요구하는 상호접속 애플리케이션에 사용된다. 따라서 차폐 케이블은 이처럼 전기적으로 거친 환경에서 추천되며, 허용 가능한 접지 잡음의 표준 -2V ~ 7V 커먼 모드 범위로 커플될 때 데이터를 보전한다.
결 론
CAN은 거친 작동 환경에서 높은 신뢰성으로 짧은 시간 안에 많은 수의 짧은 메시지를 요구하는 애플리케이션에 적합하다. CAN은 어드레스 기반형이 아닌 메시지 기반형으로, 하나의 위치 이상에서 데이트를 필요로 할 경우 특히 적합하며, 시스템 전역(System-wide)의 데이터 일관성은 필수적이다.
오류에 한계가 있는 것은 CAN의 주요 장점이다. 오류가 있는 노드는 자동적으로 버스에서 떨어져 나오고, 이것은 모든 단일 노드가 네트워크를 다운시키는 것을 방지한다. 또한 대역폭은 메시지 전송을 위해 항상 이용할 수 있다. 오류에 한계가 있는 특징을 통해 노드는 시스템 작동 중에 버스에 추가될 수 있는데 이는 핫플러그로 알려져 있기도 하다.
‘HVD23x와 ‘HVD251의 수많은 특징을 통해, CAN 프로토콜은 적응된 곳에 수많은 애플리케이션이 이상적이게 한다. 애플리케이션 중 CAN의 솔루션이 사용된 곳은 자동차, 트럭, 기차, 버스, 항공기 및 농업, 건축, 광업, 선박 등이 있다. CAN 기반형 제어 시스템은 공장, 빌딩 자동화 및 기계, 의료용 기기, 가전 및 기타 애플리케이션을 위한 임베디드 제어 시스템에서 사용된다.
아이씨엔 매거진 2006년 11월호