안정적인 고속 자동차 통신을 보호하기 위해 향상된 최신 CAN 버스 기능 적용

작성자: Majeed Ahmad

Digi-Key 북미 편집자 제공

설계자들은 자동차의 다양한 서브 시스템과 전자 제어 장치(ECU) 간의 안정적인 통신을 위해 수년 동안 계측 제어기 통신망(CAN)을 사용하고 있습니다. 하지만 온보드 네트워크 노드 수가 증가하면서 크기, 무게 및 비용 제약 내에서 필요한 데이터 처리량과 짧은 대기 시간 및 고급 보안에 대한 요구도 함께 증가하고 있습니다. 아직도 많은 설계자가 네트워크 토폴로지를 변경하는 것을 원치 않으며 CAN 사양과 관련 IC 솔루션의 지속적인 향상으로 그럴 필요성을 느끼지 못합니다.

이전 투자의 손실과 설계자가 학습 곡선을 끌어올리는 데 따른 설계 지연 가능성으로 인해, 다른 네트워크 토폴로지로 전환하는 것이 어렵습니다. 높은 처리량을 지원하는 CAN FD(Flexible Data-Rate), 부분 네트워킹과 같은 기술을 통한 누설 및 전파 방해 처리, 더 제한적인 타이밍 제한을 통한 높은 데이터 전송률로 안정적인 통신 보장, 보안 강화 등 향상된 CAN 사양을 다시 살펴보면 이러한 작업을 피할 수 있습니다.

또한 CAN 트랜시버 제공업체는 CAN의 향상된 기능을 통합하여 고급 운전자 지원 시스템(ADAS), 동력 전달 장치, 인포테인먼트 등과 같은 새롭게 등장하는 응용 제품을 효율적으로 처리하는 통합된 솔루션으로 설계 요구 사항을 충족합니다.

이 기사에서는 설계자가 CAN FD와 같은 고급 반복으로의 전환을 관리하는 방법을 비롯하여 CAN과 향상된 기능에 대해 간략하게 설명합니다. 그 과정에서 적합한 CAN 솔루션을 소개하고 솔루션을 사용하여 데이터 전송률과 신뢰성을 높이고 보안을 강화하는 방법을 보여줍니다.

CAN FD(Flexible Data-Rate)

차량에 탑재되는 전자 장치가 증가하면서 설계자에게는 우수한 성능이 요구되고 있는데, 완전히 다른 네트워크로 전환하는 대신 CAN FD를 비롯한 CAN의 향상된 기능을 활용할 수 있습니다. 그러면 최대 5Mbits/s의 속도로 전송할 수 있습니다. 이는 ISO 11898 표준에 정의된 원래 CAN 사양의 1Mbit/s(최대)에 비해 우수한 수치입니다. 데이터 전송률 제한을 통해 자동차 설계자는 차량에 더 많은 CAN 네트워크 장치와 연결을 추가할 수 있습니다. 그러면 자연히 배선, 전력 손실 및 무게가 증가하게 됩니다.

CAN FD 표준은 일반 조건에서 2Mbits/s, 프로그래밍 모드에서 5Mbits/s의 데이터 전송률을 실현하면서 대역폭 문제를 해결합니다. 이 주요 CAN 향상은 데이터 집약적인 응용 분야를 효과적으로 지원하기 위해 데이터 필드를 8바이트에서 64바이트로 높여주는 수정된 프레임 속도에서 기인합니다(그림 1).

2012에서 업데이트된 CAN FD 표준 이미지

그림 1: 2012에서 업데이트된 CAN FD 표준은 페이로드의 최대 데이터 바이트 수를 8바이트에서 64바이트로 확장합니다. (그림 출처: Microchip Technology)

일반 CAN에서 CAN FD로 전환

고급 운전자 지원 시스템(ADAS)을 비롯하여 카메라와 센서를 추가하는 과정에서 차량 내 네트워크를 통해 전송되는 데이터양이 지속적으로 증가합니다. 고속 CAN FD 네트워크를 사용하면 도움이 되지만 개발하는 동안 더 높은 정밀도가 요구됩니다. 예를 들어 높은 데이터 속도에서 비트 값 안정화를 위한 가용 한도가 빠르게 축소되어 잠재적 오류 발생 가능성을 높이고 CAN의 고유한 신뢰성에 영향을 줍니다.

또한 CAN 네트워크 내부의 고속 데이터 전송에서 생성될 수 있는 전파 방해 누설 전류와 같은 문제가 있습니다. 또한 CAN FD 시스템을 일반 CAN과 함께 구현하면 하이브리드 네트워크 배열로 인한 오류가 없는지 확인하는 데 큰 어려움이 있습니다.

일부 문제의 해결을 돕기 위해 Microchip TechnologyMCP2561/2FD 고속 CAN 트랜시버를 도입했습니다. 이 장치는 이전 세대인 MCP2561/2와 동일한 핵심 기능을 제공하면서도 CAN FD에 필요한 고속 데이터 전송률을 지원하기 위해 루프 지연 대칭을 보장합니다(그림 2). 즉, CAN 버스에서 더 긴 네트워크 연결과 더 많은 노드를 지원하기 위해 최대 전파 지연을 줄입니다. 특히, MCP2561/2FD CAN 트랜시버의 최대 전파 지연은 120ns입니다.

Microchip의 MCP2561/2FD CAN 트랜시버 구성도

그림 2: MCP2561/2FD CAN 트랜시버는 루프 대칭을 보장하여 CAN 버스에서 더 긴 네트워크 연결과 더 많은 노드를 지원합니다. (그림 출처: Microchip Technology)

또한 Microchip 및 기타 CAN 트랜시버 제조업체는 ISO 11898-2:2016 표준을 준수하는 부분 네트워킹 메커니즘을 구현하고 있습니다. 부분 네트워킹은 선택적 절전 해제 기능과 자율 버스 바이어스를 지원하여 일반 CAN에서 고속 CAN FD 시스템으로의 원활한 지원을 보장합니다.

예를 들어, NXP SemiconductorsTJA1145 고속 CAN 트랜시버는 최대 2Mbits/s의 데이터 전송률을 지원하고 FD Passive라는 선택적 절전 해제 기능을 통해 부분 네트워킹을 통합합니다. CAN FD 메시지를 전달하는 데 필요하지 않은 일반 CAN 컨트롤러는 CAN FD 통신 중에 절전/대기 모드로 유지할 수 있으므로 버스 오류를 생성하지 않습니다.

모든 CAN 컨트롤러는 고속 CAN 버스 표준을 준수해야 하므로 모든 CAN 버스 노드를 FD Active 노드로 전환해야 합니다. 그 때까지 부분 네트워킹을 활용하여 일반 CAN 환경과 CAN FD 환경의 간극을 메웁니다.

또한 NXP는 매우 정확한 발진기를 사용하여 CAN FD 메시지를 동적으로 필터링하는 CAN FD 차폐 기술을 제공합니다. 부분 네트워킹과 마찬가지로 FD 차폐 기능을 사용하는 CAN 트랜시버는 기존 트랜시버에 대한 드롭인 교체를 제공하므로 소프트웨어를 변경할 필요가 없습니다. NXP는 AUTOSAR(Automotive Open Systems Architecture)을 통해 FD 차폐 기술에 대한 평가를 완료하고 주요 자동차 OEM 및 Tier-1 제조업체에 제공할 샘플을 작성하고 있습니다.

더 작은 CAN 트랜시버로 버스 보호

더 빠른 데이터 전송률과 함께 설계자는 고도로 통합된 CAN 솔루션을 활용하여 BOM 비용을 절감하고 보드 공간을 줄일 수 있습니다. 하지만 전자파 장해(EMI) 및 잡음 내성은 중요한 특성이고 장치가 서로 간에 또는 다른 민감한 전자 장치에 근접하게 위치하는 경우가 있으므로 장치가 전파 방해를 야기하거나 전파 방해의 영향을 받지 않는지 유의해야 합니다. CAN 트랜시버는 이산 소자 필터, 공통 모드 초크 및 과도 전압 억제기(TVS) 장치를 사용하여 ESD 및 EMI 중심 문제를 해결합니다.

CAN 버스용 TVS의 중요 주제에 대한 자세한 내용은 “TVS 다이오드 보호 설계를 통한 CAN 버스 신뢰성 향상”을 참조하십시오.

하지만 CAN 기반 설계에서 무게와 비용을 줄일 수 있는 방법을 모색 중인 자동차 설계자가 점점 증가하고 있습니다. 예를 들어, Texas InstrumentsTCAN1042 및 TCAN1051 트랜시버에서는 엄격한 잡음 내성 요구 사항을 준수하면서 부품 수를 줄이기 위해 초크를 제거했습니다(그림 3).

Texas Instruments의 TCAN1042 CAN 트랜시버 구성도

그림 3: TCAN1042 CAN 트랜시버는 보호 기능을 제공하여 CAN 내구성을 개선하며 자동차 HVAC 제어 모듈, RF 스마트 원격 제어 등과 같은 응용 분야에 사용됩니다. (그림 출처: Texas Instruments)

차량의 12V, 24V, 48V 배터리 요구 사항에 맞게 공급되고 24V 산업용 전원 공급 장치를 제공하는 CAN 시스템에서는 높은 버스 결함과 정전기 방전(ESD)으로부터 보호하는 것이 매우 중요합니다. 또한 출력 신호를 효과적으로 일치시켜서 short-to-DC 전압으로부터 CAN 버스 핀을 보호합니다.

TCAN1042 및 TCAN1051 트랜시버는 최대 ±15kV의 ESD 보호 기능을 제공하여 잠재적으로 외부 TVS 다이오드가 필요하지 않습니다. 또한 설계자는 CAN 버스 종단, CAN 버스 필터링, 보호 개념 등에 대한 정보를 제공하는 TCAN1042DEVM 평가 모듈을 통해 이러한 CAN 트랜시버의 성능을 빠르고 쉽게 평가할 수 있습니다.

CAN의 다음 영역: 보안

ECU를 연결하는 CAN 기반 차량 내 네트워크는 상대적으로 간단하고 사용하기 쉽습니다. 하지만 단일 ECU에서 보안이 손상될 경우 전체 차량이 해킹에 취약해질 수 있습니다. 널리 알려진 CAN 통신 보호 옵션은 암호화와 복잡한 키 관리를 채택하는 메시지 인증 코드(MAC) 메커니즘을 기반으로 합니다. 하지만 CAN 메시지 암호화로 인해 CAN 버스 부하, 메시지 대기 시간 및 전력 소비가 증가합니다. 또한 현재 설치된 CAN 컨트롤러의 컴퓨팅 전력 부족으로 인해 CAN 통신 보호를 위해 차량 내 네트워크를 업그레이드하는 데 어려움이 있습니다.

최신 CAN 트랜시버는 대역폭 오버헤드, 지연 시간, 처리 부하 등을 회피하는 더 간단한 메커니즘과 함께 제공됩니다. 이러한 보안 CAN 트랜시버는 메시지 ID를 필터링할 수 있으므로 손상된 ECU가 원래 할당되지 않은 ID로 메시지를 전송하려고 시도할 경우 CAN 버스에 대한 전송을 거부할 수 있습니다(그림 4). 스푸핑 시도를 방지할 뿐 아니라 CAN 트랜시버는 손상된 ECU에서 보내는 메시지를 무효화하여 위조 및 플러딩 공격을 차단할 수 있습니다.

메시지 ID를 필터링하는 최신 트랜시버의 구성도

그림 4: CAN 네트워크를 보호하면서 대기 시간 및 대역폭 요구 사항을 줄이기 위해 최신 트랜시버는 메시지 ID를 필터링합니다. (그림 출처: NXP Semiconductors)

이러한 CAN 트랜시버는 암호화를 사용하지 않고 플러딩, 스푸핑 및 위조로부터 보호합니다. 또한 버스에서 메시지가 무효화되고 활성 오류 플래그기 표시될 경우 사이버 사고를 감지할 수 있습니다. 그러면 보안 CAN 트랜시버는 로컬 호스트의 CAN 버스 연결을 일시적으로 끊습니다.

하지만 보안 위협이 감지되지 않을 경우 CAN 트랜시버는 표준 고속 CAN 트랜시버처럼 작동합니다. 다시 말해서 이러한 보안 CAN 트랜시버는 비슷한 패키지의 표준 CAN 트랜시버에 대한 드롭인 교체용으로 사용될 수 있습니다.

여기서 NXP와 같은 제조업체는 하드웨어에서 보안 기능을 완전히 구현하여 CAN 트랜시버의 보안 작업이 CAN 컨트롤러와 독립적으로 수행될 수 있도록 합니다. 즉, ECU에서 소프트웨어를 변경할 필요가 없으므로 관련된 ECU 작업 손상 위험을 방지할 수 있습니다.

또한 보안 CAN 트랜시버는 버스와 관련한 보안 사고를 보고하기 위해 로그를 유지합니다. 또한 이러한 CAN 트랜시버는 자체 구성 업데이트를 보호하여 침입 탐지 시스템 역할을 할 수 있습니다.

결론

CAN 버스는 1983년에 처음으로 시작되었지만 이 기사에 표시된 대로 자동차 전자 장치 설계자의 통신 요구 사항에 맞게 조정되었습니다. 첫째, CAN 트랜시버는 고속 CAN FD 네트워크로의 전환을 통해 변모를 지속하고 있습니다. 둘째, CAN 트랜시버는 공통 모드 초크, TVS 다이오드 등과 같은 외장형 부품을 제거하여 BOM 비용을 절감하고 설계 실장 면적을 줄이면서 신뢰성을 개선합니다. 마지막으로 CAN 트랜시버는 트랜시버 하드웨어에 보안 기능을 내장하여 CAN 버스를 보호하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 후자는 CAN 버스를 보호하는 동시에 연결된 자동차의 미래입니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

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Majeed Ahmad

Majeed Ahmad는 B2B 기술 미디어에서 20년 이상의 경력을 갖춘 전자 엔지니어입니다. 그는 EE Times의 자매 출판물인 EE Times Asia의 전직 편집장입니다.

Majeed는 전자 공학과 관련한 6권의 책을 저술했습니다. 또한 All About Circuits, Electronic Products, Embedded Computing Design을 비롯한 전자 설계 간행물의 기고가로 활동하고 있습니다.

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