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24강 종단 저항 (Termination)

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CAN 통신에서 종단저항의 중요성

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9. 자동차 CAN 통신 시스템에서 종단저항(termination resistor)을 두는 이유를 설명하시오. : 네이버 블로그

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CAN 통신에서 종단저항의 중요성

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오늘은 정말 오랜만에 일기를 하나 적어 봅니다.

시간도 여유도 없어서 요즘은 포스팅하는 시간이 너무 없는 것 같습니다.

시간을 좀 내어서 블로그 관리를 좀 해야 할 듯합니다.

제가 대학을 졸업 후, 첫 회사에서 CAN 통신이라는 것을 처음 접하게 되었습니다.

약 2년간의 여러 통신규약에 대해서 학습하고 업무를 한 결과, 현재까지 아래와 같은 통신규약들에 대해서 접해 본 이력이 있습니다.

약 20년 전까지만 해도 CAN 통신에 대해서 크게 적용되지 않았기에 큰 의미를 가지지 못했으나, 약 20여 년이 지난 지금에서도 CAN 통신이 여러 산업분야에서 사용되고 있는 것을 보면 정말 중요하고 노이즈에 강한 통신 기법임은 틀림없는 것 같습니다.

현재까지 제가 접해 본 통신규약을 요약해 보고 싶어집니다.

1. DeviceNet

2. SAE J1939

3. CANopen

4. SAE J2284 (규격 집을 찾아서 읽어볼 예정)

DeviceNet 영문 규약을 전부 읽고 이를 C언어로 코딩한 시절이 벌써 17년 전인 것 같네요.

그 시절엔 DeviceNet이 정말 어렵고, CAN2.0 A/B를 학습하고 코딩하고 세미나도 거의 매주했던 기억이 납니다. 하지만 통신에 대해서 이론적 뿐만 아니라 실제 업무에 적용이 가능한 펌웨어 기술자로 자리매김할 수 있었던 계기가 된 듯합니다.

그리고 DeviceNet을 하던 회사에서 퇴사를 하고, 이은 회사에서 CAN 통신에 대해서 경력을 가진 저에게 또 다른 통신 프로토콜이 기다리고 있었습니다.

자동차의 트럭 및 버스에 많이 사용하는 SAE J1939의 규약에 대해서 정립하고, 이어서 CANopen도 접하게 되는 경험도 가지게 되었습니다.

그리고 오랜 시간이 흐른 지금 SAE J2284 (자동차에 사용됨)를 접하게 될 듯합니다.

CAN 통신을 놓고, 기계 업무를 하게 되었지만 또다시 이 통신을 접하게 될지 몰랐네요.

CAN 통신에 대해서 많은 할 얘기가 있고, 세미나 자료나 제가 보유하고 있는 자료들이 많은데 이를 활용하여 블로그 포스팅할 시간과 기회를 마련하고 싶네요.

최근에는 NFC(Near Field Communication) 통신 규약에 대해서도 접근할 수 있는 계기가 오는 듯합니다.

먼저 최근에 오래전에 경험했던 실무 경험과 유사한 사례가 있어서 적어 봅니다.

제가 약 20여 년 전에 산업용 단말기 (약 50여 대)를 CAN 통신 (DeviceNet)을 사용하여 설계하고 중소기업에 자동화시스템을 설치했던 업무를 하였는데요.

이때 Trunk 라인이(메인) 엄청 길고 Drop 라인(가지)도 규격 내였지만 선로의 길이와 종단 저항 위치가 너무 멀어서 통신 Error가 간헐적으로 발생했던 이력이 있었습니다.

통신선로 길이가 너무 길고 단말기 및 교류전압의 선로상에서 일어나는 노이즈로 인한 문제점이었던 것으로 생각이 납니다.

그래서 중간에 리피터라는 제품을 사용하여 그 문제점 해결하였는데요.

요즘은 좋은 제품이 많이 나와서 이를 활용하면 완벽하게 해결이 될 것이지만, 그 시절엔 아주 많은 시간을 할애해서 분석하고 개선을 한 기억이 있습니다.

피곤한 나머지 글 솜씨가 부드럽지 못하더라도 이해해 주세요.

기술적인 내용을 포스팅할 때는 좀 더 신중을 기해야 하지만 오늘은 시간이 많지 않은 관계로 서둘러 봅니다.

아래는 최근에 CAN 통신을 사용하는 자동차에서 실제 문제점이 발생하여 기술적으로 분석해서 개선 한 내용인데, 예제로서 급하게 포스팅을 해 봅니다.

CAN 네트워크 구성:

ISO 11898-2 네트워크 구성을 위하여 디바이스의 종단에 각각 120옴으로 합성저항이 60옴이 되어야 함.

CAN 버스에 대해서 검색을 하면 여러 내용들이 있으니 생략합니다.

검색을 하면 여러 좋은 정보가 많기에 많이 활용하면 좋을 듯합니다.

사실 예전에는 잘 알려지지 않아서 공부하기 어려웠는데….

매일 공부하고 세미나 하고, 코딩하고… ^^;

지금 생각해 보면 정말 좋은 경험이었던 것 같습니다.

통신에 대해서 직접 경험하고 코딩을 해 봤다는 것에 만족을 합니다.

CAN 통신에서는 종단 저항의 역할이 상당히 중요합니다.

종단 저항의 역할: 선로의 양 끝에 위치하며, 임피던스 매칭을 하고, 임피던스 반사 현상을 피할 수 있음.

이론적 파형: 2.5V를 중심 전압으로 하여 CAN_H는 3.5V, CAN_L는 1.5V로 나오는 것이 이상적인 파형의 모습니다.

아래의 실제 오실로 스코프에서 측정한 파형으로서 통신이 시작되고 약간의 노이즈가 타는 모습을 보이는 형태입니다.

약간의 노이즈가 발생하여도 CAN 통신은 노이즈에 강하기에 충분히 문제가 없습니다.

아래의 파형은 실제로 통신이 진행되면서 파형이 약간씩 찌글어(?)지는 형태를 보이는데요. 이것은 어떤 특정 디바이스로부터 작동이 되면서 고전압/고전류에 의해서 울렁울렁 거리는 형태를 나타냅니다. 하지만 이 또한 CAN 통신은 정상적인 DATA를 송/수신 하는 것에 문제가 없습니다.

CAN 통신은 여러 개의 MASTER와 SLAVE 형태로 수십 개의 NODE를 추가하여 구성을 할 수 있는데요. 종단저항(양단의 제일 끝단의 120옴)의 중요성을 나타내는 문제점의 파형입니다.

종단저항에 대해서 심각성을 파악하지 못한 채 종단이 아닌, 중간에 또 다른 120 옴을 추가하여 합성저항이 40옴 이하로 나오면서 각 디바이스에서 인식할 수 있는 임피던스 매칭이 되지 않게 된 예입니다.

아래의 파형을 보시면 CAN_H는 약 3.3V(정상 3.5V), CAN_L는 1.7V(정상 1.5V)전압 파형을 나타내고 있으며, 이 전압의 형태가 통신상에 어떤 문제점을 야기하는지 알아보겠습니다.

아래와 같이 정상적인 파형으로 보이지만, 추가된 120옴의 종단저항을 가진 NODE를 통해서 전압 레벨이 낮아진 것을 볼 수 있습니다.

이 상태에서는 간헐적으로 선로상에 노이즈가 발생하지 않고 정상적이다면 통신 또한 가능할 수도 있습니다. 하지만 언제 어떤 조건에서 전자파 및 고전압/고전류로 인하여 통신 선로에 약 영향을 주면서 통신 메시지 전체가 찌글어지는 형태를 볼 수 있습니다.

아래의 사진이 그 예를 나타냅니다.

어떻게 보면 이론적 파형과 비슷하게 나오지만, 파형 전체가 찌글어지고 정상적인 파형의 모습이 아닌, 이 프레임이 Error를 발생시키고 Error를 카운팅을 하게 만들어 줍니다. 아래 모습은 Error를 카운팅도 되었다고 선로상에서 통신 Load가 높게 차지하게 되었던 Case입니다.

CAN 통신에서 중요한 요소는 이 파형의 형태와 노이즈 대책을 어떻게 잘 설계하는가에 따라서 통신의 질을 높일 수 있을 것 같습니다.

CAN 통신에서의 에러는 5개의 에러가 발생됩니다.

1) BIT

2) ACK

3) FORMAT

4) STUFF

5) CRC

위 5개의 에러가 검출될 때마다 카운터가 1씩 증가하고, 에러 없이 성공적으로 전달이 완료되면 카운터가 1씩 감소됩니다.

이는 CAN 드라이버에서 알아서 카운팅이 되고 감소가 되고 한 것 같습니다.

초기 상태는 Error active 상태에서 시작하여

에러 카운터 값이 127보다 커지면 Error passive 상태.

에러 카운터 값이 255보다 초과하면 BUS OFF 상태로 빠지면서 해당 노드를 CAN 통신상에서 끊어버리는 문제점을 야기합니다.

여하튼 CAN 통신에서는 중요한 점이…

NODE의 종단저항과 위치

선로의 길이

그리고 가능하면 고전압/고전류 등이 흐르는 선로를 회피에서 설계하는 방법이 중요하다고 하겠습니다.

차량이나 장비에서 여러 다바이스를 설치하기 위해서 내부적인 기술검토가 이루어 지는데, 이를 자세히 설명할 길이 없네요. 너무 많은 자료와 그림이 필요한 듯 하여…

이는 PASS 하겠습니다.

사실 이 글을 적으면서 예전에 학습하고 자체규약도 만들면서 오랜시간 준비된 것들을 글로서 나타내고 싶어지네요.

또한 다른 경험도 글로서 만들고 싶어지는 오늘입니다.

늦은 시간 포스팅하느라 어지럽고 정신없이 적다 보니 질이 좀 떨어져도 이해를 부탁합니다.

여튼 CAN통신은 어떤 통신보다 중요하고 정말 잘 사용하면 좋다라고 말하고 싶습니다.

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9. 자동차 CAN 통신 시스템에서 종단저항(termination resistor)을 두는 이유를 설명하시오.

9. 자동차 CAN 통신 시스템에서 종단저항(termination resistor)을 두는 이유를 설명하시오.

9. 자동차 CAN 통신 시스템에서 종단저항(termination resistor)을 두는 이유를 설명하시오.

CAN 통신 등장 배경

과거 1980년대까지 자동차는 대부분 기계식이었습니다. 그러다 점차 기술의 발전으로 인하여 자동차에 다양한 모듈(ECU) 들이

생겨났고 이러한 모듈들이 서로 통신하기 위해 비동기 직렬 통신 방식인 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)를

사용했습니다. 그러나 UART의 통신은 각 모듈이 1:1 통신을 해서 모듈이 추가될 때마다 더 많은 연결선이 필요했습니다.

수많은 연결선은 자동차의 공간을 점점 더 많이 차지하게 되었고 이는 자동차 무게를 증가시키고 원가를 상승시키는 결과를

초래하였습니다.

메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 보쉬(Bosch)에 차량용 네트워크를 만들어달라고

의뢰를 하였고 1985년에 보쉬는 CAN을 개발하였습니다. 여러 개의 CAN 장치(Device)가 서로 통신할 수 있으며, 하나의 CAN

인터페이스로 여러 개의 모듈을 제어할 수 있어서 연결선 수의 감소, 자동차 무게의 경감, 원가 하락뿐만 아니라 효율적으로

시스템 제어가 가능해졌습니다. 1993년에는 ISO가 국제 표준 규격으로 제정하였습니다. 이렇게 CAN은 자동차 통신의

필수불가결 요소가 되었고 현재 제2세대까지 나왔습니다.

CAN 표준 판(Version/Release)

1985년도에 CAN 제1.0판이 나왔으며, 이후 1987년도에 제1.1판 그리고 1990년도에 CAN 제1.2판이 나왔습니다.

CAN 1.0 ~ 1.2판은 제1.0판의 안정화와 각종 장치(Device)들의 사용을 가능하게 하기 위해 내용을 보완한 판(release)입니다.

1991년도에 나온 제2.0판부터는 표준 CAN과 확장 CAN으로 구분되어 있습니다. 표준 CAN은 기존과 같지만, 확장 CAN은

확장 ID(Identification)를 추가해 많은 데이터를 사용할 수가 있습니다.

CAN 통신의 특징 및 장점

CAN 통신은 여러 개 ECU를 병렬로 연결하여 데이터를 주고받는 통신방법입니다. CAN 버스를 통해서 통신선 상에 데이터를

띄어놓고 필요한 데이터에 접근(Access) 합니다. 그럼 이제부터 어떠한 이유로 자동차에 CAN 통신을 두루 쓰게 되었는지

그 특징과 장점을 알아보겠습니다.

① 다중 주인(Multi Master) 통신 방식:

CAN 버스는 다중 주인(Multi Master) 방식으로 통신하므로 통신 버스를 여러 노드(node)들이 공유하면서 언제든지 버스를

사용할 수 있습니다.

② 간단한 구조:

CAN_High, CAN_Low 두 개의 신호로 통신하므로 단 2개의 선이 필요로 합니다. 그러므로 많은 모듈이 추가되더라도 추가되는

선의 양이 적습니다.

③ 잡음에 매우 강함:

CAN BUS는 Twist Pair 2선으로 되어있어 전기적 잡음(noise)에 강해 메시지를 보호할 수 있습니다.

④ ID 값을 이용한 우선순위:

자동차의 ECU들은 고유한 ID 값을 가지고 있습니다. ID 값은 낮을수록 우선순위가 높은데, CAN에서는 여과 과정(filtering)을 통해

설정된 ID 값을 수신해 우선순위를 결정합니다. 주소가 아닌 ID 값으로 메시지 내용과 우선순위가 결정되며 이는 시스템

제어 속도와 안전성을 향상할 수 있습니다. 특히 BUS를 이용하므로 연결선 수를 대폭 줄일 수 있으며 이는 자동차의 무게와도

직결되므로 매우 중요합니다.

⑤ 고속 및 원거리 통신:

CAN 통신은 최대 1M bps에 달하는 고속 통신을 제공하며, 보통 통신 속도가 500k~ 1M bps 속도로 CAN 통신이 가능합니다.

또한, 최대 1,000m까지 원거리 통신이 가능합니다.

⑥ PLUG & PLAY 기능:

PLUG & PLAY 기능을 제공해서 CAN 제어기(controller)를 버스에 간편하게 연결하고 끊을 수가 있어서, 여러 장치를 추가하고

제거하기가 매우 쉽습니다.

CAN 프레임 구조

CAN 통신이 무엇인지 이제 조금 감이 오시나요? CAN 통신이 뭔지 알았으니 이제 CAN이 어떻게 생겼는지도 궁금해하실 것

같아서 이번에는 CAN 프레임(frame)의 구조에 대해서 알아보려고 합니다.

CAN 통신은 프레임이라고 하는 패킷(packet)으로 데이터를 전송합니다. 프레임이란 하나의 메시지를 이루는 필드 또는 bit들의

집합을 말하며 CAN 프레임은 다음과 같은 분할 구역(section)으로 구성되어 있습니다.

① SOF(Start Of Frame) 비트: 메시지의 시작을 의미하는 주요한 비트로 버스의 노드(node)를 동기화하기 위해 사용됩니다.

② Identifier(ID): 식별자로서 메시지의 내용을 식별하고 메시지의 우선순위를 부여합니다. CAN 메시지에 있는 ID의 길이에

따라서 표준 CAN과 확장 CAN 두 가지 양식(mode)으로 구분됩니다. 표준 CAN은 11 비트 식별자이고, 확장 CAN은 29비트

식별자로 구분됩니다.

③ Control: 데이터의 길이(DLC)를 의미합니다.

④ Data: 전달하고자 하는 내용을 의미합니다.

⑤ CRC: 프레임의 송신 오류 및 오류 검출에 사용됩니다.

⑥ ACK 비트(Bit): 오류가 없는 메시지가 전송되었다는 것을 의미하는 비트로서, CAN 제어기는 메시지를 정확하게 수신했다면

ACK(Acknowledgement) 비트를 전송합니다. 전송 노드는 버스 상에서 ACK 비트의 유무를 확인하고 만약 ACK 비트가 발견되지

않는다면 재전송을 시도합니다.

⑦ EOF(End of Frame) 비트: 프레임의 끝을 나타내고 종료를 의미합니다.

CAN 통신의 동작 방법

CAN 버스에는 전체 노드를 제어하는 주인(Master)이 없어서 CAN 버스에서 데이터를 쉽게 접근할 수 있습니다.

우선 CAN 제어기는 CAN 버스 선이 사용 다른 제어기에 의해서 사용 중인지 확인을 합니다. 만약 CAN 버스 선이 사용 중이지

않다면 모든 노드는 ID 값을 통해서 자신에게 필요한 메시지를 확인합니다. 이때 불필요한 메시지를 무시하게 되고 자신에게

필요한 메시지만 수신하게 됩니다. 앞에서 자동차의 ECU들은 고유한 ID 값을 가지고 있다고 했습니다. 다중 노드가 동시에

메시지를 CAN 버스에 전송하려는 경우에는 가장 낮은 ID 값을 가진 최우선 노드가 자동으로 버스에 접근하게 됩니다.

(식별자 값이 1과 7일 경우 식별자 1의 우선순위가 더 높음) 우선순위가 높은 메시지가 CAN 버스의 사용 권한을 보장받을 수

있으며 낮은 순위의 다른 노드들은 대기해야 하며 자동으로 다음 버스 사이클에서 재전송을 수행합니다.

요약

CAN 통신은 자동차 분야뿐만 아니라 자동화 기기, 의료 기기 그리고 로봇 등 다양한 분야에서도 널리 쓰이고 있기 때문에

앞으로도 매우 중요하게 쓰일 통신방법이 될 것입니다.

[출처] CAN (Controller Area Network) 통신 소개 및 동작 방법|작성자 슈어소프트테크

CAN 통신 시 종단 저항의 역할

- 통신 실패를 발생시키는 반사를 제거하기 위해 전송선이 잘 연결되어야 함.

- 통신 시 잔여가 남아서 다른 사람이 이야기 못하도록 하는 것이 없도록, 처음과 끝에 저항을 달아주어 값이 메아리 치지 않고

빠질 수 있도록 연결해줌

High Speed CAN

– 신호선의 양 끝단에 종단 저항을 연결해 주어야 함.

– CAN 버스에서 통신이 양방향으로 이루어져야 하기 때문

– 케이블에서 종단 저항은 케이블의 임피던스와 일치해야 함

– ISO 11898에서는 임피던스 120Ω 사용

– 여러 개의 장비가 케이블에 존재한다면, 케이블의 끝 단에 있는 장비에만 종단저항을 연결하면 됨

Low Speed CAN

– 네트워크 각각의 장비의 각각 라인에 종단 저항이 필요함

– 케이블이 아니라 트랜시버에 종단을 필요로 함

– 각각의 종단저항의 저항값은 몇몇의 공식을 통해서 계산됨

Single-wire CAN

– 내부에 내장된 9.09kΩ의 저항이 포함되어 있음

– 네트워크에 필요로 하는 모든 저항 값이어서 다른 추가적인 저항들이 필요하지 않음

[출처] [HW] CAN 통신 시 종단 저항의 역할|작성자 NIK AE

NI-CAN 하드웨어의 올바른 종단 저항 구성

해결책

고속 CAN

저속 CAN

단일 와이어 CAN

소프트웨어로 선택 가능한 CAN

반사로 인해 통신 장애가 발생하지 않도록 하기 위해, 전송 회선 네트워크에 종단 저항을 사용해야 합니다. CAN 하드웨어 종단 저항 구성은 하드웨어의 물리적 계층 (고속, 저속, 단일 와이어 또는 소프트웨어 선택 가능)에 따라 다릅니다.고속 CAN (High-Speed CAN)의 경우 차동 신호선 (CAN_H 및 CAN_L)의 양 끝을 터미네이션 처리해야합니다. 이는 통신이 CAN 버스에서 양방향으로 이루어지기 때문입니다. 표준 9핀 D-Sub 커넥터를 기준으로 할 때, CAN_L은 핀 2 이며 CAN_H는 핀 7 입니다. 케이블의 종단 저항은 케이블의 공칭 임피던스와 일치해야 합니다. ISO 11898 에서는 공칭 임피던스가 120Ω 인 케이블이 필요하므로 종단에는 120Ω 저항을 사용해야합니다. 여러 장치가 케이블을 따라 배치되는 경우 케이블 끝의 장치 만 종단 저항이 필요합니다. 아래 그림은 고속 CAN 네트워크에 종단 저항을 구성하는 방법의 예를 보여줍니다.저속 CAN (Low-Speed CAN) 의 경우 네트워크의 각 장치에는 각각의 데이터 라인(CAN_H, CAN_L) 에 대한 종단 저항이 필요합니다. 고속 CAN 네트워크와 달리 저속 CAN은 케이블이 아닌 트랜시버에서 종단되어야 합니다. 다음은 종단 저항을 저속 CAN 네트워크에 배치해야 하는 경우를 나타낸 다이어그램입니다.PCMCIA 트랜시버 동글을 사용하는 경우라도, CAN_H 및 CAN_L에 종단 저항을 사용해야 합니다. 이 종단 저항은 내부적으로 구현되지 않습니다.NI 단일 와이어 CAN 하드웨어에는 9.09 kΩ 저항이 내장되어 있습니다. 이것은 네트워크에 필요한 모든 부하 저항이기 때문에 추가적인 저항은 필요하지 않습니다.소프트웨어로 선택 가능한 CAN 하드웨어는 고속, 저속 또는 단일 와이어 인터페이스로 작동하도록 구성할 수 있습니다. 어떤 네트워크를 사용하기로 구성하느냐에 따라 필요한 종단 방식이 달라집니다.

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CAN 통신에서 종단저항의 중요성

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NI-CAN 하드웨어의 올바른 종단 저항 구성 – NI

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통신간 종단 저항을 다는 이유(종단 저항의 필요성 개념)

CAN 장비의 종단 저항

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