ＣＡＮ通信の基礎と車載電子制御ネットワーク開発のポイント

はじめに

CAN通信（Controller Area Network）は、車載ネットワークで広く利用されている通信プロトコルです。

1980年代にボッシュによって開発され、シンプルで低コストな通信を実現することで、自動車産業のみならず、工場オートメーションや医療機器など多様な分野においても活躍しています。

本記事では、CAN通信の基本概念を詳しく解説し、さらに車載電子制御ネットワーク開発のポイントについて説明します。

製造業の方をはじめ、バイヤーやサプライヤーの方々にも、CAN通信の重要性を理解していただける内容をお届けします。

CAN通信の基礎

CAN通信の特徴

CAN通信の最大の特徴は、その高いノイズ耐性と信頼性です。

リダンダントな信号とチェックサム機能により、誤りを検出し安全にデータを送信できます。

クロック同期が必要ないため、配線コストを削減しつつ高い通信速度を実現しています。

このため、車載環境のような過酷な状況下でも信頼性の高い通信が可能となります。

基本構造と方式

CANは、メッセージ指向の通信プロトコルであり、各デバイスがIDによって識別されます。

そのため、送信者と受信者が直接関連付けられることはなく、ブロードキャスト通信が可能です。

データフレームは、開始ビット、ID、データフィールド、CRC、ACK、停止ビットで構成されます。

信号はデジタルで、「1」と「0」の二つの状態で表現されます。

NRZ（Non-Return-to-Zero）と呼ばれる方式が採用されており、ノイズに強い通信が可能です。

通信速度と距離

通常、CANは最大1Mbpsの通信速度を持ちますが、この速度は通信距離により制限されます。

例えば、高速通信の場合は数十メートル程度までが限界です。

一方、低速通信（例えば125Kbps）の場合には数百メートルの距離まで通信が可能です。

車両内のネットワークでは、用途によってこれらの通信速度を組み合わせることが多いです。

車載電子制御ネットワーク開発のポイント

ネットワークの設計と統合

車載ネットワークを設計する際には、各ノード（ECU: Electronic Control Unit）の通信ニーズを理解し、適切にCANバスを配置することが重要です。

これには、車両全体の機能安全や堅牢性を確保するために、データの優先順位や通信の冗長性を考慮する必要があります。

開発初期段階で詳細な設計を行い、実際の車両に統合する際の問題点を最小限にすることが求められます。

ハードウェアとソフトウェアの最適化

ECUのハードウェア選定では、プロセッサの処理能力や消費電力、耐環境性などが重要です。

ソフトウェアにおいては、リアルタイム性と可用性を確保するために、RTOS（リアルタイムオペレーティングシステム）の導入が有効です。

ソフトウェアの開発では、シミュレーションとテストを通じて、通信のボトルネックや不具合を事前に解消する努力が求められます。

安全性とセキュリティの確保

車載システムにおけるセキュリティは、ますます重要度を増しています。

CANバスは、そのシンプルな設計ゆえにセキュリティ面での脆弱性が指摘されています。

セキュリティ強化のためには、メッセージの暗号化や認証、侵入検知システムの導入などが考えられます。

さらに、ISO 26262などの安全規格への準拠はリスクの低減に役立ちます。

プロトコルの進化と他の技術との共存

現在、車載ネットワークはCANに加え、より高いデータレートや安全性を提供するCAN FDやイーサネットなどのプロトコルへと進化を遂げています。

これらの新しい技術を導入することで、未来の自動運転車両に対応した高度な電子制御システムが形成されます。

しかし、新旧プロトコルの共存が必要な場合も多く、プロトコル変換やゲートウェイの実装が鍵を握ります。

まとめ

CAN通信は、車載ネットワークにおいて不可欠な技術として、信頼性、コスト効果、汎用性の観点から多くの利点を提供します。

しかし、安全性やセキュリティへの配慮と、技術の進化による新しいプロトコルとの統合を考慮することで、その利点を最大限に活用できます。

製造業での応用においても、CANの特性を理解し、適切な技術選択を行うことが、競争力向上につながることでしょう。

本記事が、CAN通信の基礎から応用までの理解を深める一助となれば幸いです。