CANOpen over Ethernet (EtherCAN, CANOpen over TCP/IP)

CANOpen과 IoT 및 무선 통신

CANOpen은 산업 자동화 및 임베디드 시스템에서 널리 사용되는 프로토콜로, 주로 유선 통신 환경에서 안정적으로 동작하도록 설계되었습니다. 그러나 최근 IoT(사물인터넷) 기술의 발전과 함께 무선 통신을 활용한 CANOpen 네트워크 구축이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이를 통해 기존 CANOpen 기반 시스템의 확장성을 높이고, 원격 모니터링 및 제어가 가능하도록 할 수 있습니다.

무선 통신 기술은 BLE(Bluetooth Low Energy), Wi-Fi, LoRa, Zigbee, Thread 등 다양한 방식으로 제공되며, 각각의 기술은 통신 거리, 데이터 전송 속도, 전력 소비 등의 특성에 따라 적절한 용도로 활용됩니다. 특히, CANOpen을 IoT 환경에서 활용하기 위해서는 게이트웨이 장치를 통해 CAN 버스를 무선 네트워크와 연결하는 방식이 일반적으로 사용됩니다.

본 장에서는 CANOpen과 IoT 기술의 융합에 대한 개념을 설명하고, CANOpen 네트워크를 무선 환경에서 운영하는 방법을 다룹니다. 또한, STM32F429를 활용하여 CANOpen을 지원하는 무선 통신 시스템을 구축하는 실습을 진행하며, CANOpen 게이트웨이 및 브릿지 장치를 설계하는 방법을 소개합니다.

CANOpen over Ethernet (EtherCAN, CANOpen over TCP/IP)

개요

CANOpen은 일반적으로 CAN(Controller Area Network) 버스를 통해 통신하는 프로토콜이지만, 최근에는 Ethernet을 통한 CANOpen 통신이 점점 중요해지고 있습니다. Ethernet을 통해 CANOpen을 구현하는 방식에는 EtherCAN과 CANOpen over TCP/IP 두 가지 주요 방식이 있습니다. 이를 통해 기존 CANOpen 네트워크를 확장하고, 더 빠른 데이터 전송 속도를 확보할 수 있습니다.

EtherCAN

EtherCAN은 기존의 CAN 네트워크를 Ethernet 네트워크로 확장하기 위한 기술입니다. 일반적으로 EtherCAN 게이트웨이를 사용하여 CAN 메시지를 Ethernet 패킷으로 변환하여 전송합니다.

EtherCAN의 특징

• CAN 네트워크와 Ethernet 네트워크 간의 브리지 역할 수행
• 실시간성을 고려한 전송 방식 지원
• 산업 자동화 및 스마트 팩토리에서 활용
• CAN 메시지 필터링 및 라우팅 기능 제공

EtherCAN의 주요 활용 사례

1. 산업 자동화: 공장 내에서 CAN 기반 장치를 Ethernet으로 연결하여 중앙 제어 시스템과 연동 가능
2. 자동차 및 운송 시스템: 자동차 내 CAN 통신 데이터를 외부 분석 시스템으로 전송
3. 의료 장비: CAN 기반 의료 장비를 병원의 중앙 관리 시스템과 연동

CANOpen over TCP/IP

CANOpen over TCP/IP는 기존 CANOpen 프로토콜을 TCP/IP 네트워크를 통해 확장하는 방식입니다. 이는 물리적인 CAN 버스를 사용하지 않고도 CANOpen을 구현할 수 있도록 해줍니다.

CANOpen over TCP/IP의 특징

• 기존 CAN 버스를 사용하지 않고, Ethernet 네트워크에서 CANOpen을 구현
• 물리적 거리 제한 없이 CANOpen 통신 가능
• 기존 TCP/IP 네트워크와 통합하여 유연한 네트워크 아키텍처 구성
• 클라우드 기반 모니터링 및 원격 제어 가능

CANOpen over TCP/IP의 주요 활용 사례

1. 원격 모니터링 및 제어: 공장 내 장비의 상태를 원격으로 모니터링 및 조정 가능
2. IoT 및 클라우드 통합: IoT 장치에서 CANOpen 데이터를 수집하여 클라우드로 전송
3. 다중 프로토콜 게이트웨이: 다른 산업용 프로토콜(Modbus, OPC UA 등)과 통합하여 복합적인 자동화 시스템 구축

EtherCAN과 CANOpen over TCP/IP 비교

항목	EtherCAN	CANOpen over TCP/IP
전송 방식	CAN 메시지를 Ethernet 패킷으로 변환	TCP/IP를 통해 CANOpen 데이터 전송
실시간성	높은 실시간성 보장	네트워크 지연이 있을 수 있음
거리 제한	Ethernet 네트워크 범위 내	글로벌 네트워크 확장 가능
주요 활용 분야	산업 자동화, 차량 네트워크	클라우드 기반 IoT, 원격 제어

STM32F429를 활용한 CAN 메시지의 Ethernet 패킷 변환 및 전송 구현

STM32F429는 강력한 Cortex-M4 기반 MCU로, Ethernet과 CAN을 모두 지원합니다. 이를 활용하여 CAN 메시지를 Ethernet 패킷으로 변환하여 전송하는 방법을 구현할 수 있습니다.

필요 구성 요소

• STM32F429 개발 보드
• STM32CubeIDE 및 HAL 라이브러리
• Ethernet PHY 모듈 (LAN8720 등)
• CAN 트랜시버 (MCP2551 등)

구현 절차

1. STM32CubeMX를 이용한 프로젝트 생성
   • Ethernet 및 CAN 인터페이스 활성화
   • LWIP 스택을 이용하여 TCP/IP 프로토콜 지원
   • CAN 드라이버 설정
2. Ethernet 및 CAN 초기화 코드 작성
   • HAL 라이브러리를 이용하여 Ethernet 및 CAN 초기화
3. CAN 메시지를 Ethernet 패킷으로 변환 후 전송
   • CAN 메시지를 UDP 패킷으로 변환하여 전송
4. TCP/IP 기반 CANOpen 프로토콜 처리
   • CANOpen 데이터 오브젝트를 TCP/IP로 송수신하는 코드 작성

예제 코드 (CAN 메시지를 UDP 패킷으로 변환 후 Ethernet 전송)

#include "main.h"
#include "lwip.h"
#include "can.h"
#include "ethernetif.h"
#include "udp.h"

CAN_HandleTypeDef hcan;
ETH_HandleTypeDef heth;
struct udp_pcb *udp_conn;

void SystemClock_Config(void);
void MX_GPIO_Init(void);
void MX_CAN_Init(void);
void MX_ETH_Init(void);
void send_can_over_udp(uint8_t *data, uint16_t len);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_CAN_Init();
    MX_ETH_Init();
    MX_LWIP_Init();

    udp_conn = udp_new();
    ip_addr_t dest_ip;
    IP4_ADDR(&dest_ip, 192, 168, 1, 100);
    udp_connect(udp_conn, &dest_ip, 5000);

    CAN_TxHeaderTypeDef txHeader;
    uint32_t txMailbox;
    uint8_t txData[8] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88};

    txHeader.DLC = 8;
    txHeader.StdId = 0x321;
    txHeader.IDE = CAN_ID_STD;
    txHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;

    while (1) {
        if (HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &txHeader, txData, &txMailbox) == HAL_OK) {
            send_can_over_udp(txData, sizeof(txData));
        }
        HAL_Delay(1000);
    }
}

void send_can_over_udp(uint8_t *data, uint16_t len) {
    struct pbuf *packet = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, len, PBUF_RAM);
    if (packet != NULL) {
        memcpy(packet->payload, data, len);
        udp_send(udp_conn, packet);
        pbuf_free(packet);
    }
}

결론

EtherCAN과 CANOpen over TCP/IP는 기존 CANOpen 네트워크를 확장하고 보다 유연한 네트워크 구성을 가능하게 하는 강력한 솔루션입니다. STM32F429를 활용하여 CAN 메시지를 Ethernet 패킷으로 변환하여 전송하면, 산업 자동화, IoT, 원격 제어 등 다양한 분야에서 활용할 수 있습니다. 이를 통해 CANOpen 네트워크의 확장성과 실용성을 더욱 극대화할 수 있습니다.