CAN(Controller Area Network)이란?

1. CAN 통신의 개념과 역사

1.1 CAN 통신이란?

CAN(Controller Area Network)은 독일의 보쉬(Bosch)사가 1980년대 초에 개발한 직렬 통신 프로토콜로, 자동차와 산업용 기기에서 널리 사용됩니다. CAN은 여러 개의 전자 제어 장치(ECU, Electronic Control Unit) 간의 데이터 교환을 가능하게 하며, 신뢰성과 효율성이 뛰어난 것이 특징입니다.

CAN은 마스터-슬레이브 방식이 아닌 멀티마스터 방식으로 작동하며, 한 개의 노드(Node)가 데이터를 송신하면 네트워크의 모든 노드가 이를 수신할 수 있습니다. 따라서 네트워크에서 특정 노드가 장애가 발생해도 다른 노드 간의 통신이 유지되는 높은 신뢰성을 제공합니다.

1.2 CAN의 역사

1980년대 초, 자동차 산업에서 점점 증가하는 전자 장치 간의 통신을 단순화하고 비용을 절감할 필요성이 대두되었습니다. 이에 보쉬사는 1986년 CAN 프로토콜을 발표하였고, 이후 1991년 ISO 11898 표준으로 공식화되었습니다. CAN은 처음에는 자동차 분야에서만 사용되었지만, 현재는 산업 자동화, 의료 기기, 항공우주 등 다양한 산업에서도 활용되고 있습니다.

2. 기존 직렬 통신 방식(SPI, UART, I2C)과의 차이

2.1 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

UART는 두 개의 장치 간의 직렬 통신을 제공하는 방식으로, 비동기 방식으로 동작하며 별도의 클럭 신호 없이 일정한 전송 속도로 데이터를 송수신합니다. 하지만 다중 노드 통신을 지원하지 않으며, 한 번에 두 개의 장치 간 1:1 통신만 가능합니다.

2.2 I2C(Inter-Integrated Circuit)

I2C는 마스터-슬레이브 방식으로 동작하며, 하나의 마스터가 여러 개의 슬레이브와 통신할 수 있습니다. 그러나 다중 마스터 환경에서는 충돌 관리가 어려우며, 속도가 비교적 낮아 실시간 응답성이 중요한 시스템에는 적합하지 않습니다.

2.3 SPI(Serial Peripheral Interface)

SPI는 빠른 데이터 전송 속도를 제공하며, 클럭 신호를 활용하는 동기식 직렬 통신 방식입니다. 하지만 SPI는 풀-이중(Full-Duplex) 통신을 지원하지만, 다중 슬레이브를 연결할 때 추가적인 칩 선택(CS, Chip Select) 핀이 필요하여 확장성이 낮습니다.

2.4 CAN과 기존 통신 방식의 비교

통신 방식	데이터 전송 속도	마스터-슬레이브 구조	다중 노드 지원	오류 검출 기능
UART	낮음 (~1Mbps)	1:1 통신	X	X
I2C	중간 (~3.4Mbps)	O	O (제한적)	X
SPI	높음 (~50Mbps)	O	제한적	X
CAN	중간 (~1Mbps)	X (멀티마스터)	O	O

CAN은 다중 노드 환경에서도 충돌 관리가 가능하며, 강력한 오류 검출 기능을 제공하므로 실시간 데이터 교환이 필요한 시스템에서 매우 유용합니다.

3. CAN이 필요한 이유 및 적용 사례

3.1 CAN 통신이 필요한 이유

1. 고신뢰성: CAN은 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 통한 오류 검출 기능을 제공하여 신뢰성이 높습니다.
2. 실시간 통신 가능: 멀티마스터 방식으로 동작하여 긴급한 메시지를 우선적으로 처리할 수 있습니다.
3. 배선 절감: 여러 개의 노드가 하나의 CAN 버스를 공유하기 때문에 기존의 포인트-투-포인트 방식보다 배선이 간결합니다.
4. 낮은 비용: 단순한 배선과 표준화된 프로토콜 덕분에 시스템 구축 비용이 저렴합니다.

3.2 CAN의 적용 사례

• 자동차 산업: 엔진 제어, 에어백 시스템, ABS(Anti-lock Braking System), 전자식 파워 스티어링 등 다양한 전자 장치 간의 통신에 사용됩니다.
• 산업 자동화: 로봇, PLC(Programmable Logic Controller), 공장 자동화 설비 간의 통신을 위한 필드버스로 활용됩니다.
• 의료 기기: 병원 내 의료 기기 간의 데이터 교환 및 원격 모니터링 시스템에 사용됩니다.
• 항공 및 철도: 항공기의 제어 시스템 및 철도 차량의 내부 네트워크 구축에 사용됩니다.

4. ESP32에서 CAN 통신 구현 (ESP-IDF 기반 C 코드 예제)

ESP32는 기본적으로 CAN(또는 TWAI, Two-Wire Automotive Interface) 모듈을 지원하며, ESP-IDF 프레임워크를 활용하면 쉽게 CAN 통신을 구현할 수 있습니다.

4.1 CAN 초기화 및 설정 코드 예제

#include "driver/twai.h"
#include "esp_err.h"
#include "esp_log.h"

#define TX_GPIO_NUM 21
#define RX_GPIO_NUM 22

void can_init() {
    twai_general_config_t g_config = TWAI_GENERAL_CONFIG_DEFAULT(TX_GPIO_NUM, RX_GPIO_NUM, TWAI_MODE_NORMAL);
    twai_timing_config_t t_config = TWAI_TIMING_CONFIG_500KBITS();
    twai_filter_config_t f_config = TWAI_FILTER_CONFIG_ACCEPT_ALL();

    if (twai_driver_install(&g_config, &t_config, &f_config) != ESP_OK) {
        ESP_LOGE("CAN", "Failed to install driver");
        return;
    }

    if (twai_start() != ESP_OK) {
        ESP_LOGE("CAN", "Failed to start driver");
        return;
    }
    ESP_LOGI("CAN", "CAN driver started");
}

4.2 CAN 데이터 송신 코드 예제

void can_send_message() {
    twai_message_t message;
    message.identifier = 0x123;
    message.data_length_code = 8;
    message.data[0] = 0x11;
    message.data[1] = 0x22;
    message.data[2] = 0x33;
    message.data[3] = 0x44;
    message.data[4] = 0x55;
    message.data[5] = 0x66;
    message.data[6] = 0x77;
    message.data[7] = 0x88;

    if (twai_transmit(&message, pdMS_TO_TICKS(1000)) != ESP_OK) {
        ESP_LOGE("CAN", "Failed to send message");
    } else {
        ESP_LOGI("CAN", "Message sent");
    }
}

5. 결론

CAN은 다양한 산업에서 신뢰성 높은 통신을 위한 표준 프로토콜로 자리 잡았으며, 자동차뿐만 아니라 산업 자동화, 의료 기기 등에서도 활용됩니다. ESP32와 같은 임베디드 시스템에서도 CAN을 쉽게 구현할 수 있으며, ESP-IDF를 활용하면 효율적으로 CAN 네트워크를 구성할 수 있습니다.