CAN バスとは何ですか? 自動車システムでどのような役割を果たしますか?

Jul 20, 2023

最新の車両には 70 台を超えるコンピューターが搭載されています。 これが、これらのシステムが相互に通信する方法です。

車に乗り込んでスタートボタンを押すと、すぐにエンジンが始動しましたが、車はどのようにして始動するかどうかを判断しているのでしょうか?

車を始動させるために、いくつかのアンテナと電子制御ユニットがキーフォブと通信しました。 コントローラー エリア ネットワーク (CAN) プロトコルにより、キー フォブ、アンテナ、ECU 間の通信が車内で適切に行われることが保証されます。

では、CAN プロトコルとは何ですか?また、CAN プロトコルは車両システム上のデバイスの連携にどのように役立つのでしょうか? さて、調べてみましょう。

昔、車には電子機器があまり搭載されていませんでした。 実際、1900 年代初頭に車を始動させたい場合は、車から降りて手でエンジンを回す必要がありました。

それとは対照的に、今日の車にはいくつかの電子センサーが搭載されており、電子デバイスは車室内の温度からクランクシャフトの回転まであらゆるものを監視しています。

とはいえ、これらのセンサーから受信したデータは、処理されるまでは価値がありません。 このデータ処理は、電子制御ユニット (ECU) として知られるコンピューティング デバイスによって実行されます。

単一の CPU を備えたコンピューターとは異なり、自動車には複数の ECU があり、それぞれが特定のタスクの実行を担当します。 これらの ECU は単一のタスクを効率的に実行できますが、ABS や ESC などの機能が適切に動作するように連携して動作する必要があります。

このため、車に搭載されているすべての ECU を接続する必要があります。 ポイントツーポイント トポロジを使用してこれらの接続を確立することもできます。この場合、各 ECU は他のすべての ECU に直接接続されます。 ただし、このアーキテクチャではシステムが複雑になります。 実際、現代の車両には 70 を超える ECU が搭載されており、それらを 1 対 1 で接続すると配線の重量が飛躍的に増加します。

この問題を解決するために、ボッシュはメルセデス・ベンツおよびインテルとともに、1986 年にコントローラー エリア ネットワーク プロトコルを作成しました。このプロトコルにより、CAN バスとして知られる共有データ バスを使用して ECU が相互に通信できるようになりました。

CAN プロトコルは、データ送信にツイスト ペア ケーブルのセットに依存するメッセージベースの通信方法論です。 これらのワイヤは、CAN High および CAN Low として知られています。

これらのワイヤでのデータ送信を可能にするために、その電圧レベルが変更されます。 これらの電圧レベルの変化は論理レベルに変換され、自動車の ECU が相互に通信できるようになります。

CAN バスでロジック 1 を送信するには、両方のラインの電圧が 2.5 ボルトに設定されます。 この状態はリセッシブ状態とも呼ばれ、CAN バスがどの ECU でも使用できることを意味します。

逆に、CAN ハイラインの電圧が 3.5 ボルトで、CAN ローラインの電圧が 1.5 ボルトである場合、ロジック 0 が CAN バス上で送信されます。 このバスの状態はドミナント状態とも呼ばれ、システム内のすべての ECU に、別の ECU が送信中であるため、メッセージの送信を開始する前に送信が終了するまで待機する必要があることを伝えます。

これらの電圧変更を可能にするために、自動車の ECU は CAN トランシーバーと CAN コントローラーを介して CAN バスに接続されます。 トランシーバーは、CAN バス上の電圧レベルを ECU が理解できるレベルに変換する役割を果たします。 一方、コントローラーは、受信したデータを管理し、プロトコルの要件が満たされていることを確認するために使用されます。

CAN バスに接続されているこれらすべての ECU は、ツイスト ケーブル上でデータを送信できますが、最大の優先順位を持つメッセージのみを CAN バス上で送信できるという落とし穴があります。 ECU が CAN バス上でデータを送信する方法を理解するには、CAN プロトコルのメッセージ構造を理解する必要があります。

2 つの ECU が通信しようとするときは常に、以下の構造のメッセージが CAN バス上に送信されます。

これらのメッセージは、CAN バス上の電圧レベルを変更することによって転送され、CAN ワイヤのツイスト ペア設計により、送信中のデータ破損が防止されます。

上記のビットに加えて、CAN プロトコルには将来の使用のために予約されているビットがいくつかあります。

CAN バス上のメッセージがどのようなものかを基本的に理解したので、異なる ECU 間でデータがどのように送信されるかを理解できるようになりました。

話を簡単にするために、車にノード 1、ノード 2、およびノー​​ド 3 の 3 つの ECU があるとします。3 つの ECU のうち、ノード 1 とノード 2 はノード 3 と通信したいと考えています。

このようなシナリオで CAN プロトコルが通信の確保にどのように役立つかを見てみましょう。

CAN プロトコルで使用されるメッセージ構造は同じですが、より高い帯域幅のデータを転送するために、データ送信の速度とデータ ビットのサイズが変更されます。

これらの違いにより、CAN プロトコルにはさまざまなバージョンがあり、その概要を以下に示します。

CAN プロトコルにより、複数の ECU が相互に通信できるようになります。 この通信により、電子安定制御装置などの安全機能や、死角検出やアダプティブ クルーズ コントロールなどの高度な運​​転支援システムが可能になります。

とはいえ、自動運転などの先進機能の出現により、CAN バスによって送信されるデータ量は飛躍的に増加しています。 これらの機能を有効にするために、CAN FD などの新しいバージョンの CAN プロトコルが市場に投入されています。

Nischay は電子通信工学を卒業し、日常のテクノロジーを簡素化するコツを持っています。 彼は 2020 年以来、Candid.Technology、Technobyte、Digibaum、Inkxpert などの出版物に協力し、テクノロジーをわかりやすく伝えてきました。さらに、Nischay は自動車テクノロジーが大好きで、過去 2 年間は Stellantis でエンジニアとして働いています。 彼は、今日の車をより安全で運転しやすくする機能について熟知しています。