Controller Area Network

Controller Area Network (CAN): 車載ネットワークの基礎

CAN (Controller Area Network) は、複数の電子制御ユニット (ECU) を接続するための車載ネットワーク規格です。自動車の様々なシステム（エンジン、ブレーキ、エアバッグなど）間の通信を効率的に行うために設計されており、その堅牢性とリアルタイム性が特長です。メッセージベースのプロトコルを採用し、ノイズに強い通信を実現しています。

CANの仕組み

CANネットワークは、複数のノード（ECUなど）が2線式バスを介して接続された構成です。各ノードは、CANコントローラ、トランシーバ、ホストプロセッサから構成されます。

CANコントローラ: バスへのデータ送受信を制御します。
トランシーバ: デジタル信号と差動電圧信号の変換を行います。ノイズ対策も担います。
ホストプロセッサ: アプリケーションロジックを実行し、CANコントローラを介して通信を行います。

CANでは、メッセージの優先度に基づいたアービトレーション（調停）方式を用いて、複数のノードが同時に送信しようとした場合の競合を解決します。優先度の高いメッセージが優先的に送信されます。

データは、フレームと呼ばれる単位で送信されます。フレームは、識別子（ID）、データ、エラー検出コードなどから構成されます。IDはメッセージの優先度を表し、データは最大8バイト（CAN FDでは最大64バイト）のデータを含みます。

CANの通信速度は、ケーブル長や規格によって異なります。高速CAN (ISO 11898-2) は最大1Mbps、低速CAN (ISO 11898-3) は最大125kbpsです。CAN FDは、アービトレーション後のデータ転送速度を高めることで、高速化とデータ量増大を実現しています。

CANの特長

耐ノイズ性: 差動信号伝送により、ノイズの影響を受けにくい通信を実現しています。
リアルタイム性: 優先度に基づいたアービトレーションにより、リアルタイム性の高い通信が可能です。
マルチマスタ: 複数のノードが同時に送信できます。
シンプルさ: 比較的シンプルな構成で実装できます。

CANの用途

CANは、自動車以外にも、産業機械、ロボット、医療機器など、様々な分野で利用されています。自動車では、以下のシステムで使用されています。

エンジン制御
ブレーキ制御
エアバッグシステム
車体制御
インフォテインメントシステム

CANの拡張規格

CANのデータ転送速度やデータ容量の制限を克服するために、いくつかの拡張規格が開発されています。

CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate): データ転送速度とデータ容量を向上させた規格です。
LIN (Local Interconnect Network): 低コストで低速な通信を必要とするシステムに適した規格です。
MOST (Media Oriented Systems Transport): 大容量データの転送に適した規格です。
Ethernet: 高速で高帯域幅の通信を必要とするシステムに適した規格です。

CANのアーキテクチャとプロトコル

CANはOSI参照モデルのデータリンク層と物理層に相当する機能を規定しています。物理層では、高速CANと低速CANが定義され、電気的特性や終端抵抗などが規定されています。

データリンク層では、フレームフォーマット、エラー検出・処理、アービトレーション、ビットスタッフィングなどの詳細が規定されています。エラー検出にはCRC (Cyclic Redundancy Check) が使用され、エラー発生時にはエラーフレームが送信されます。ビットスタッフィングは、連続する同じビットを避けることで、同期性を維持するためのメカニズムです。

CANのセキュリティ

CANは、セキュリティ機能を備えていないため、セキュリティ対策が重要になります。不正なアクセスや改ざんを防ぐためには、暗号化や認証などのセキュリティメカニズムを導入する必要があります。

CANの開発ツール

CANバスの開発やデバッグには、CANバスモニタ、ロジックアナライザ、プロトコルアナライザなどのツールが使用されます。これらのツールを使用して、CANバス上の通信内容を監視・解析し、問題点を特定することができます。

まとめ

CANは、自動車業界を中心に広く利用されている車載ネットワーク規格です。その堅牢性、リアルタイム性、シンプルな構成から、様々な用途に適応しています。しかし、セキュリティ対策は重要であり、適切な対策を講じる必要があります。CAN FDなどの拡張規格も登場しており、今後も進化を続ける技術です。

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