CAN을 활용한 실시간 제어 시스템

CAN을 활용한 실시간 제어 시스템

1. 개요

CAN(Controller Area Network)은 실시간 제어 시스템에서 널리 사용되는 통신 프로토콜입니다. 자동차, 산업 자동화, 로봇 공학 등에서 빠르고 신뢰할 수 있는 데이터 교환이 필요할 때 CAN이 효과적으로 활용됩니다. 이번 글에서는 CAN을 활용한 실시간 제어 시스템의 개념과 사용법, 산업 자동화 및 로봇 제어에서의 적용 사례, 그리고 CANopen을 이용한 모터 및 서보 제어 방법을 살펴보겠습니다.

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2. 실시간 제어가 필요한 환경에서의 CAN 사용법

2.1 실시간 제어 시스템이란?

실시간 제어 시스템은 입력 데이터를 수집하고 빠르게 처리한 후 즉각적인 출력을 제공해야 하는 시스템을 의미합니다. 이러한 시스템에서는 데이터 전송 지연이나 패킷 손실이 발생하면 심각한 문제가 될 수 있습니다. 따라서 신뢰성과 낮은 지연 시간이 중요한 요소로 작용합니다.

2.2 실시간 제어 시스템에서 CAN의 역할

CAN은 다음과 같은 특징을 통해 실시간 제어 환경에서 유리한 선택이 됩니다.

• 우선순위 기반 메시지 전송: CAN은 각 메시지에 고유한 우선순위를 부여하여 중요한 데이터가 먼저 전송될 수 있도록 합니다.
• 충돌 회피(Collision Avoidance) 기능: 여러 노드가 동시에 데이터를 전송할 경우, 우선순위가 높은 메시지가 먼저 전송됩니다.
• 고속 데이터 전송: 기본 CAN은 최대 1Mbps의 속도를 제공하며, CAN FD(Flexible Data-rate)는 8Mbps 이상의 속도를 지원합니다.
• 높은 신뢰성: CRC 기반 오류 검출 및 보정 기능을 제공하여 데이터 무결성을 보장합니다.
• 다중 마스터 지원: CAN 네트워크 내의 모든 노드가 데이터를 송수신할 수 있도록 설계되었습니다.

2.3 실시간 시스템에서 CAN 사용 예제

아래는 실시간 데이터 수집 및 제어를 위해 CAN을 사용하는 간단한 예제 코드입니다.

#include <stdio.h>
#include "driver/twai.h"  // ESP32 IDF의 TWAI(CAN) 드라이버 헤더
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

// CAN(TWAI) 초기화 함수
void can_init() {
    twai_general_config_t g_config = TWAI_GENERAL_CONFIG_DEFAULT(GPIO_NUM_21, GPIO_NUM_22, TWAI_MODE_NORMAL);
    twai_timing_config_t t_config = TWAI_TIMING_CONFIG_500KBITS();  // 500kbps 설정
    twai_filter_config_t f_config = TWAI_FILTER_CONFIG_ACCEPT_ALL(); // 모든 메시지 수락

    if (twai_driver_install(&g_config, &t_config, &f_config) == ESP_OK) {
        printf("CAN 드라이버 설치 완료\n");
    }
    if (twai_start() == ESP_OK) {
        printf("CAN 통신 시작\n");
    }
}

// CAN 메시지 송신 함수
void send_control_signal(uint16_t id, int value) {
    twai_message_t message;
    message.identifier = id;
    message.extd = 0;  // 표준 CAN 프레임 사용
    message.data_length_code = 2;
    message.data[0] = (value >> 8) & 0xFF;
    message.data[1] = value & 0xFF;

    if (twai_transmit(&message, pdMS_TO_TICKS(1000)) == ESP_OK) {
        printf("ID: 0x%X, Data: %d 송신 성공\n", id, value);
    } else {
        printf("송신 실패\n");
    }
}

void app_main(void) {
    can_init();
    while (1) {
        send_control_signal(0x100, 1500);  // 0x100 ID로 1500 값 송신
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 1초 대기
    }
}

위 코드에서는 CAN을 이용해 특정 ID(0x100)를 가진 노드에 1500이라는 제어 값을 전송하는 방식으로 동작합니다.

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3. 산업 자동화 및 로봇에서의 CAN 활용

3.1 산업 자동화에서 CAN의 장점

산업 자동화 환경에서는 다양한 센서, 액추에이터 및 컨트롤러 간의 통신이 필요합니다. CAN은 이러한 환경에서 다음과 같은 장점을 제공합니다.

• 고속 데이터 통신: 기계 간 빠른 명령 및 상태 정보 교환 가능
• 낮은 배선 비용: 다중 노드를 단일 CAN 버스에 연결 가능
• 강력한 오류 검출 기능: 산업 환경에서의 신뢰성 향상

3.2 로봇 제어 시스템에서 CAN의 역할

로봇 제어에서는 모터, 센서 및 컨트롤러 간의 원활한 데이터 교환이 필수적입니다. CAN을 활용하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

• 실시간 모터 속도 및 위치 제어
• 센서 데이터를 빠르게 수집하여 피드백 제어 가능
• 네트워크 확장성이 뛰어나 다수의 장치 연결 가능

예제 코드:

#include <stdio.h>
#include "driver/twai.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

// CAN 메시지 수신 함수
void receive_sensor_data() {
    twai_message_t message;
    if (twai_receive(&message, pdMS_TO_TICKS(1000)) == ESP_OK) {
        printf("수신된 데이터 - ID: 0x%X, 값: %d\n", message.identifier, (message.data[0] << 8) | message.data[1]);
    } else {
        printf("수신 대기 중...\n");
    }
}

void app_main(void) {
    can_init();
    while (1) {
        receive_sensor_data();  // CAN 메시지 수신
    }
}

이 코드는 특정 센서 노드에서 데이터를 수신하고 이를 출력하는 방식으로 동작합니다.

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4. CANopen을 활용한 모터 및 서보 제어 시스템

4.1 CANopen 개요

CANopen은 CAN 기반의 상위 계층 프로토콜로, 모터 제어 및 서보 시스템을 포함한 다양한 산업용 장비에서 사용됩니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• PDO (Process Data Object): 실시간 데이터 전송을 위한 구조
• SDO (Service Data Object): 설정 및 구성 데이터를 송수신하는 구조
• NMT (Network Management): 네트워크 상태 관리 기능 제공

4.2 모터 및 서보 제어에서의 활용

모터 및 서보 제어 시스템에서 CANopen을 사용하면 속도 및 위치를 정밀하게 제어할 수 있습니다.

예제 코드:

#include <stdio.h>
#include "driver/twai.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

// 모터 속도 설정 (CANopen 방식)
void set_motor_speed(uint8_t motor_id, int speed) {
    twai_message_t message;
    message.identifier = 0x600 + motor_id;  // CANopen 표준 모터 ID
    message.extd = 0;  // 표준 프레임
    message.data_length_code = 2;
    message.data[0] = speed & 0xFF;
    message.data[1] = (speed >> 8) & 0xFF;

    if (twai_transmit(&message, pdMS_TO_TICKS(1000)) == ESP_OK) {
        printf("모터 ID: %d, 속도: %d 설정 완료\n", motor_id, speed);
    } else {
        printf("모터 속도 설정 실패\n");
    }
}

void app_main(void) {
    can_init();
    while (1) {
        set_motor_speed(1, 2000);  // ID 1 모터에 속도 2000 설정
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 1초 간격 반복
    }
}

위 코드는 CANopen을 이용해 특정 모터의 속도를 설정하는 방법을 보여줍니다.

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5. 결론

실시간 제어 시스템에서 CAN은 높은 신뢰성과 효율성을 제공하는 핵심 통신 프로토콜입니다. 특히 산업 자동화 및 로봇 제어에서 중요한 역할을 하며, CANopen을 활용하면 모터 및 서보 시스템의 정밀한 제어가 가능합니다.