古き良き従来のアナログの時代は過ぎ去り、今日のデジタルテクノロジーが人々の生活の様々な側面を支配しています。エンターテイメントから交通手段に至るまで、デジタル時代から逃れることはできません。エンジンのキーを回すと、快適な空調制御から深刻なエンジン故障まで、あらゆる情報が洪水のように押し寄せます。
当時、車のセンサーは最小限で、システムのアップグレードは単純でした。数十年後、自動車はより技術的に発展し、環境に配慮するようになりました。ごく基本的な車両を除いて、すべての車両には、さまざまなセンサーに依存してリアルタイムの正確な調整を行う車載コンピューターが搭載されています。しかし、個々のセンサーをすべて接続するのは複雑すぎるため、車両を効率的に動かすためには中央通信ネットワークが必要になりました。そこで、1983年、ドイツのエンジニアリングおよびエレクトロニクス企業であるロバート・ボッシュ社のエンジニアグループは、車両全体に配置された電子制御ユニット（ECU）間の通信システムを提供し、システム全体のデータ伝送を可能にするCANバスプロトコルの開発に取り組みました。
CANバス技術とは？
CANバスは、ネットワーク内の個々のシステム、センサー、コントローラーを接続し、スムーズな通信フローを可能にするメッセージベースのプロトコルです。CAN（コントローラーエリアネットワーク）は、体のすべての部分を接続する中枢神経系として機能し、バスはこれらの個々のコンポーネント間でデータ転送を可能にする通信システムです。これにより、制御コンピューターの作業負荷が最小限に抑えられ、中央ネットワークホスティングデバイスから切り離されたシステムで効率的なデータ転送と通信が可能になります。
現代の車両の根底にある配線ネットワーク。
CANバス通信
CANバスプロトコルは、マスターコントローラーを必要としないピアツーピアネットワークです。個々のノードは、ネットワーク上のデータを自由に読み書きできます。CANノードがデータ送信の準備ができたと同時に、バスのトラフィックを確認し、CANフレームをネットワークに書き込みます。各ノードは、調停IDを使用してメッセージを識別し、優先順位を示します。調停IDに応じて、CANノードはフレームを受け入れるかどうかを決定します。CANノードがメッセージを正しく受信すると、送信の最後にACKビット（肯定応答スロット）をタグ付けします。メッセージを送信した対応するノードは、バス上にACKビットが存在するかどうかを検索し、肯定応答タグが検出されない場合は再試行します。
複数のノードが同時にバスにメッセージを送信している場合、最も低い調停IDを持つメッセージが優先的にアクセスされます。優先度の低いノードは、バスのトラフィックがクリアされるまで待機し、その後、メッセージの再送信を試みます。
CANバスの物理層
物理層はデバイスの物理仕様を定義し、特定の電気層に対応します。異なる抽象化レベルで通信を制御する7つの独立した層がありますが、最も重要なのは物理層です。他の層は後でソフトウェアまたはハードウェアでチップ機能として実装できますが、物理層はハードウェアに結び付けられています。
物理層は、信号方式や対応可能なインピーダンスなど、CANネットワークの特定の側面を制御する基本的なハードウェアです。2つの信号状態、ドミナント（論理的に0）とレセッシブ（論理的に1）を、CANバスメッセージングが可能な電気パルスに変換します。いくつかの異なる物理層がありますが、最も広く使用されているのは以下のとおりです。
- 高速CAN
- ネットワークは2本のワイヤで実装され、最大1Mbit/sの通信転送速度を可能にします。
- 高速CANを使用するデバイス：アンチロックブレーキシステム、エンジン制御モジュール、排出ガスシステム
- 低速CAN
- ネットワークは2本のワイヤで実装され、最大125 kbit/sの速度でデバイスと通信できます。
- 通信速度は低いですが、トレードオフとして耐故障性を備えたトランシーバーを提供します。
- 低速CANを使用するデバイス：空調、ドアの開閉などの快適性アプリケーション
- 単線CANハードウェア
- 最大33.3 kbit/sの速度でデバイスと通信できます。
- シートやミラーのアジャスターなどの快適性デバイスのアプリケーションでは、高いパフォーマンスを必要としません。
- ソフトウェア選択可能CANハードウェア
- ソフトウェア選択可能なCANインターフェースを構成して、搭載されたトランシーバーのいずれかを使用できます。独自の外部CANトランシーバーを選択できます。
CANバスメッセージングの理解
CANバスネットワークは、ノード間でメッセージを送信するためにブロードキャストタイプのシステムを使用します。これは、特定のノードにのみメッセージを送信する方法がなく、すべてのノードがバス上のすべての送信を常に受信することを意味します。ただし、CANハードウェアはローカルスクリーニングを提供するため、ノードはトラフィックをソートし、ビット単位のアービトレーションを使用して優先メッセージに選択的に応答できます。これらのCANメッセージは、データフレーム、リモートフレーム、エラーフレーム、オーバーロードフレームの4つの種類によって識別されます。簡潔にするため、最も一般的なメッセージタイプであるデータフレームについてのみ説明します。
各データフレームは主要な部分で構成されています。
- アービトレーションフィールド：2つ以上のノードがバスアクセスで競合している場合に、メッセージの優先順位を示します。フレームは2つの形式で利用可能です。
- CAN 2.0A：11ビットのアービトレーションIDと1つのリモート伝送（RTR）ビットを使用する標準フォーマットで、データフレームにはドミナントです。
- CAN 2.0B：29ビットのアービトレーションID（2つのレセッシブビット：SRRとIDEを含む）とRTRビットを使用する拡張フォーマットです。
- データフィールド：0〜8バイトのデータを含みます。
- CRCフィールド：エラー検出のための15ビットの冗長チェックサムを含みます。
- 肯定応答スロット：メッセージを正しく受信したCANコントローラーは、メッセージの最後にACKビットを送信します。
- ACKビットの存在は、バス上の1つまたは複数のノード（必ずしも意図されたアドレス先であるとは限りません）がメッセージを適切に受信したことを意味します。
CANバスの利点
CANバスプロトコルは、システムコンポーネントが効果的に通信するために必要な配線量を大幅に削減します。何マイルもの配線を含む車両ハーネスを使用する代わりに、高速（25kbps～1Mbps）のツイストペア配線システムを利用します。各ECUには、送信されたすべてのメッセージを受信し、関連性を判断し、それに応じて動作することを可能にする個別のチップがあるため、高い柔軟性を提供します。前述のとおり、これはブロードキャストタイプのネットワークであるため、CANバス通信にとって不可欠な要素です。
さらに、価格性能比が高いため、最も手頃で信頼性の高いネットワークシステムの一つとなっています。アナログ配線に依存しないため、ケーブルやコネクタが少なく、故障箇所が削減されます。ケーブルや配線が少ないため、システムが簡素化され、簡単に規制できます。サブシステムの故障や電磁干渉に対するシステムの堅牢性も高め、メンテナンス時間を大幅に短縮します。
容易な変更と追加ノードの組み込みにより、自動車メーカーにとって主要な費用対効果の高い選択肢となっています。
標準CANフレーム構造と拡張CANフレーム構造
標準CANフレーム形式では、当初アービトレーションフィールドの長さを11ビットと定義していましたが、後にCAN 2.0AとCAN 2.0Bに分けられました。CAN 2.0Aは、ボッシュが乗用車向けに発表した標準仕様として認識され、後者のCAN 2.0Bは、主に大型車両に使用される拡張形式でした。両者の基本的な違いは、アービトレーションフィールドのビット長にあります。2.0Aタイプのコントローラは29ビットのアービトレーションを受信できないため、最新のCANコントローラは通常2.0B拡張形式を実装します。CANバス2.0Bコントローラは2.0Aと下位互換性があり、拡張フレームを送信しない限り同じバス上に存在することもあります。
CAN 2.0A（「標準CAN」）データフレーム
CAN 2.0B（「拡張CAN」）データフレーム。
CANバスの未来
CANバスプロトコルは、当初、自動車のフィールドバス技術の代替として、機能性を向上させるために設計されました。この技術を初めて搭載した車は、1986年に市場に登場したBMW 850クーペでした。車内配線を2km短縮し、結果として車両重量を50kg以上大幅に削減することができました。さらに、車両システムとセンサーは最大25kbps～1Mbpsの速度で互いに通信することができました。CANバスプロトコルの最初の公開導入は成功しましたが、同時に多くの新しい問題も引き起こしました。車両はますます複雑になり、アフターマーケットでの取り付けがほとんど不可能になったのです。
しかし、数十年の時を経て、今日ではほぼすべての新しい商用車や消費者向け自動車がCANバスプロトコルを念頭に置いて製造されています。クラウドコンピューティングや携帯電話ネットワークなどの現代の技術開発は、CANバスプロトコルを改善し、その絶滅に反発する力となっています。自動化された産業メーカーは、施設全体でシステム間通信を可能にする分散制御システムの一部としてCANバスプロトコルを統合し始めています。自動車メーカーでさえ、テレマティクスナビゲーションやリアルタイムGPS位置情報にCANバス標準を使用しています。そして、モノのインターネット（IoT）の次の技術拡張により、CANバスプロトコルのような複雑なネットワークシステムは、将来の設置寿命と世代間互換性を確保するために不可欠となるでしょう。
CANバスプロトコルはエンドツーエンドのソリューションではありませんが、その適応性と多様なアプリケーションにより、今後も存在し続けることが保証されています。
CANとモノのインターネット
今日、CANバス技術は消費者向け車両だけでなく、産業用トラックから地下採掘車両に至るまで、動くあらゆるものに見られます。そして、ここ数年、IoTの爆発的な普及により、コネクテッドスマートカーへの需要が着実に高まっています。自動車におけるIoT技術の利用は、診断、メンテナンス、そして自動車とスマートシティインフラスト間の通信を向上させてきました。
自動運転支援やナビゲーション用テレマティクスなど、新しい車載機能やドライバーの利便性に対する需要が増大し続ける中、企業は無限の可能性へと分岐し始めています。IoT接続から得られるセンシングデータは、商用および消費者レベルの両方で変革力となり、フリート管理や農業におけるイノベーションの新たな機会を切り開くでしょう。CANバス技術と組み合わせることで、IoTセンサーからのデータを収集・分析し、生産性の向上と全体的なコスト削減を実現できます。例えば、CANバスプロトコルにより、輸送ロジスティクス企業は、長距離トラック輸送フリートの燃料消費量を追跡したり、エンジン温度やジオフェンシングサービスを監視したりすることができます。
Premio車載コンピュータ
リアルタイムデータの速度が不可欠な要件となるにつれて、バックエンドテクノロジーの複雑さも増しています。CANバスシステム設計は、IoTコネクテッドカーに投資する企業にとって理想的です。パフォーマンス対コスト比率でデータを通じて莫大な価値を提供するからです。次世代の車載エッジコンピューティングアプリケーションは、既存のCANバスネットワークを活用して、新しいイノベーションを推進する予測分析を行うことができます。
Premioの堅牢な車載コンピュータは、基盤となるCANバスネットワークを介して様々なセンサーやデバイスから大量のデータを分析・処理し、継続的な情報フローを確保する堅牢なエッジコンピューティングソリューションの素晴らしい例です。EマークとEN50155の国際認証を取得しており、最も過酷な車両環境にも耐え、様々なエッジコンピューティングアプリケーションで動作可能です。
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