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문제 정의
- 6과 같이 제어모듈간의 메시지 및 통신 속도의 상이함을 해결함으로서 차량의 제어 성능을 향상시킬 수 있는 CAN 통신 네트워크 통합 제어 장치를 말한다. 또한 추가적인 기능으로 차량제어모듈의 고장진단과 차량 사고에 대한 CAN 데이터 기록 기능을 갖추고 있으나 본 논문에서는 Gateway 기능에 대해서만 기술하고자 한다.
- 본 연구는 상용차의 각 제어모듈 간 CAN Bus를 중재하는 기본 기능을 수행하는 GCM(Gateway Control Module)의 개발에 관한 것이다. GCM의 주요 기능은 단일 CAN Bus를 4Ch로 분리하여 Bus부하율을 낮추는 주요기능과 함께 데이터 손실방지 기능, CAN 메시지의 각 채널별 중재 관리 기능, CAN 메시지 변환기능 등 이다.
제안 방법
- Fig. 8과 같이 본 모델은 임의의 CAN 데이터와 ID 를 조정하여 GCM의 Gateway 기능을 다양한 프로세서에 따라 로직을 평가를 할 수 있도록 시뮬레이션 환경을 구축하였다.
- Gateway 기능에 따른 메시지 전달의 정확성을 확인하고자 CANoe를 이용하여 각 채널별 CAN 메시지를 수집하였다. 수집한 데이터를 분석한 결과 유실된 CAN 메시지는 존재하지 않았으며, GCM 내부 Matrix 로직에 따라 정확한 전달이 이루어짐을 확인할 수 있었다.
- HILS시스템은 차량의 복잡한 구동계의 성능 해석및 차량 통신을 모사할 수 있도록 구성하였다. 차량 제어모듈 관련 CAN 통신 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 RT_LAB에서 사용할 수 있도록 기본 3개의 블록으로 구성되어 있어야 한다.
- 3과 같이 기본 Concept을 바탕으로 4채널의 CAN Bus를 구성하고 있으며, 상용차 업체에서 각 채널별 제어모듈 할당을 용이하게 할 수 있도록 제어모듈의 해당 채널은 변경이 가능하도록 설계되었다. 그리고 기본적으로 관측된 CAN 메시지의 주기정보를 토대로 각 CAN Bus 부하율을 예측할 수 있도록 하였다. 또한 제어모듈에 이상이 발생한 경우를 대비하여 CAN Bus를 단일 네트워크로 복귀할 수 있도록 설계하였다.
- 9와 같이 GCM의 Gateway 기능을 평가 하기 위해 2채널이 구비된 2개의 CAN통신 보드를 이용하여 각 채널마다 시스템 그룹별 메시지 분배 및 독립적인 각 채널을 하나의 CAN Bus로 통합할 수 있도록 릴레이보드를 설계 및 제작하였다. 그리고 실제 차량제어기 중 엔진 ECU, 엔진 후처리장치 DCU, ABS, ECAS 등을연결하여Gateway 기능을 평가할 수 있도록 구성하였다.
- 대상차량에서 CAN 정보를 수집하고 관련 제어 모듈들에서 송수신하는 CAN ID를 분석 및 분류하여 시스템별로 CAN통신모델링을 수행하였다.
- 또한 Fig. 9와 같이 GCM의 Gateway 기능을 평가 하기 위해 2채널이 구비된 2개의 CAN통신 보드를 이용하여 각 채널마다 시스템 그룹별 메시지 분배 및 독립적인 각 채널을 하나의 CAN Bus로 통합할 수 있도록 릴레이보드를 설계 및 제작하였다. 그리고 실제 차량제어기 중 엔진 ECU, 엔진 후처리장치 DCU, ABS, ECAS 등을연결하여Gateway 기능을 평가할 수 있도록 구성하였다.
- 그리고 기본적으로 관측된 CAN 메시지의 주기정보를 토대로 각 CAN Bus 부하율을 예측할 수 있도록 하였다. 또한 제어모듈에 이상이 발생한 경우를 대비하여 CAN Bus를 단일 네트워크로 복귀할 수 있도록 설계하였다.
- 또한 한 채널에 각기 다른 주기의 메시지를 점차 증가시키며 각 채널의 부하율을 측정하고 동시에 각 채널에 메시지가 코드화된 Matrix의 정의대로 올바르게 전달되는지 여부와 Gateway 기능을 수행하는지 시험하였다.
- 본 연구는 Fujitsu MB91F467BA 32bit MCU와 CAN 통신을 이용하여 Gateway 기능을 구현하였다.
- 13은 제어 모듈의 Gateway 기능 시험을 위해 CAN통신 체계를 2Ch로 분류하여 Bus 부하율을 감소시키는 구조를 구성하였다. 상호 통신 횟수가 빈번한 엔진 ECU와 변속기 등으로 그룹을 구성하였고, 그 외 시스템에 대하여 채널을 구성하였다.
- 설계 단계에 있어서 CAN 4Ch을 지원하는 32bit Micro Controller인 Fujitsu MB91F460 series를 선택하였고, GCM의 Gateway의 기능 시험 및 성능 평가를 위하여 최종적으로 Fig. 6과 같이 Prototype Board를 설계하였으며 CAN 4Ch, LIN/Usart 4Ch, K-Line 1Ch, Serial EEPROM 1EA로 구성되어 있다.
- 4는 대상 상용차의 전체 제어모듈에 관하여 단위 시간당 전송주기에 대한 ID 갯수의 분포를 나타낸 것이다. 이 자료를 토대로 하여 단일 CAN Bus에서 제어모듈들이 차지하는 부하율을 도출할 수 있었고 CAN Bus 부하율을 낮추기 위하여 채널 당 제어모듈을 배치하는데 사용되었다.
- 이와 관련하여 Gateway 제어모듈은 Fig. 3과 같이 기본 Concept을 바탕으로 4채널의 CAN Bus를 구성하고 있으며, 상용차 업체에서 각 채널별 제어모듈 할당을 용이하게 할 수 있도록 제어모듈의 해당 채널은 변경이 가능하도록 설계되었다. 그리고 기본적으로 관측된 CAN 메시지의 주기정보를 토대로 각 CAN Bus 부하율을 예측할 수 있도록 하였다.
- 차량 제어시스템에 관한 CAN 메시지 모델링을 통해서 1차 시제품 GCM의 Gateway 기능에 대한 성능시험을 수행한 후 CAN 메시지의 정확한 전달과 전달 속도는 Gateway 기능의 가장 중요한 요소가 되기 때문에 정확한 기능평가를 위해 HILS 시스템 환경을 이용하였고, 차량모델 및 상용차에서 사용되는 제어모듈의 일부를 적용하여 네트워크를 Fig. 10과 같이 구성하고 2차 시제품을 이용하여 Gateway 기능 시험을 수행하였다.
- 추가적으로 GCM의 Gateway Matrix 기능구현에 따른 메시지 전달 및 차단에 대한 기능을 평가하기 위하서 Table 3의 상태의 시험조건에서 Table 4와 같이 Ch2~Ch4의 목적지를 가지는 임의의 메시지를 Ch1에 순차적으로 메시지를 전송시키면서 각 채널의 부하율을 측정하였다. GCM의 Gateway Matrix에 의하여 메시지가 전달 및 차단되는 결과를 Table 5에서 볼 수 있었으며, 실제 CAN Bus 부하율이 분산되는 결과를 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 실차시험은 군산 시내 및 외곽도로를 주행하며 수행되었고, CAN Bus를 모니터링하기 위하여 Vector사의 CANcaseXL을 사용하였다. 또한 전용프로그램인 CANoe7.2를 이용하여 CAN 데이터를 실시간 관찰하고 에러발생 유무와 주행 데이터를 수집하였다.
- 시험에 앞서 파워트레인 시스템과 새시 시스템으로 두 개의 채널로 분리하고 Ch2, Ch4에 CAN Bus을 구성하였다. 차량시스템의 일부 제어모듈만 사용한 것으로 부하율 측정값을 ALL 채널에 나타내었다.
- 실차시험은 군산 시내 및 외곽도로를 주행하며 수행되었고, CAN Bus를 모니터링하기 위하여 Vector사의 CANcaseXL을 사용하였다. 또한 전용프로그램인 CANoe7.
성능/효과
- 1) 기존의 단일 버스로 구성된 네트워크를 다수로 구성하고 GCM을 적용했을 때 메시지 전달과 차단 기능을 통하여 버스의 부하율의 감소를 확인하였다.
- 0B Extended를 사용하며 전송 속도는 250Kbps이다.1,2) Gateway 제어모듈을 개발하기에 앞서 현재 차량 시스템의 CAN Bus 구조를 파악하여 문제점들을 도출하였다.
- 2) GCM의 Gateway 기능을 평가하기 위해 차량시스템의 제어모듈별 CAN 메시지 전송에 대한 모델링 및 실제 제어모듈을 사용한 HILS기반 평가 방법을 적용하여 실차에 장착하기 전 메시지 전달과 차단 기능을 평가할 수 있었다.
- 3) 대상차량에 GCM을 장착하여 정차 및 주행상황에서 다양한 주행시험을 통해 제어모듈 간 Gateway 기능을 안전하게 수행하는 등 GCM의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
- GCM의 Gateway 기능시험을 통해 Gateway 동작의 전후 상태에 대하여 CAN Bus 부하율을 측정한 결과를 Table 3에 나타내었다. Gateway 기능이 동작 후 각 채널에 요구되는 Ch2의 메시지가 Ch1과 Ch4에 전달 또는 Ch4에서 Ch2로 메시지가 전달되면서 CAN Bus 부하율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
- Matrix에 구성된 정보에 따라 메시지를 전달 및 차단하는 기능을 수행하여 실제 CAN Bus 부하율이 감소되는 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
- 결과적으로 시스템오류는 발생하지 않았고 Gateway 기능을 잘 수행하는 것을 볼 수 있다.
- 14는 CAN Bus 1ch에서 CAN Bus 2Ch로 전달되는 메시지(PGN : EEC1)와 CAN Bus 2Ch에서 CAN Bus 1Ch로 전달되는 메시지(PGN : ERC1)를 분석한 결과를 나타내고 있다. 메시지 전달기능이 정상 동작하여 시스템의 에러 없이 Gateway 기능을 잘 수행하는 것을 볼 수 있었다.
- 11은 CANoe를 이용하여 수집한 일부 메시지들의 사이클 당 전송 지연시간을 분석한 것이며 지연시간을 평균화하여 아래 그림과 같이 나타내었다. 메시지들은 각각 다른 지연시간을 나타내고 있으나 SAE J1939 규격에 명시된 목표 지연 시간인 10ms안에서 Ch1에서 Ch2로 전달되는 것을 알 수 있으며 Gateway기능 초기 동작 시 발생하는 시간 지연으로, 이후 시간 지연이 누적됨 없이 전달되는 결과를 볼 수 있었다.
- 본 시험조건은 부하율 감소를 위한 4채널 분리 기능과 Gateway 기능이 구현된 GCM의 성능을 평가하기 위해서 4개의 채널을 이용하였으며, Table 2와 같이 한 채널에 각기 다른 주기의 메시지별로 전송했을 때의 해당 메시지의 CAN Bus 부하율을 측정하였고 10ms의 전송주기가 CAN Bus 부하율에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 수집된 데이터에서 전송주기가 빠른 각 메시지별 송수신 시간을 비교한 결과 GCM에서 메시지 전달이 지연되는 평균 시간은 5ms 이내로 측정됨을 확인할 수 있었다.
- Gateway 기능에 따른 메시지 전달의 정확성을 확인하고자 CANoe를 이용하여 각 채널별 CAN 메시지를 수집하였다. 수집한 데이터를 분석한 결과 유실된 CAN 메시지는 존재하지 않았으며, GCM 내부 Matrix 로직에 따라 정확한 전달이 이루어짐을 확인할 수 있었다.
- Table 7은 CAN Bus 분할에 대한 제어모듈의 Gateway 기능이 동작되는 상태에서 부하율을 측정한 결과를 나타내고 있다. 이 결과는 GCM의 메시지 전달 및 차단 기능을 통하여 Ch1에서 5%의 부하율 감소효과를 보여주고 있다.
후속연구
- 또한 제어모듈의 상호관계를 고려하여 네트워크를 구성하고 메시지의 정확한 목적지와 불필요한 목적지의 정보를 파악하여 전달과 차단을 위한 효율적인 Matrix를 구성한다면 CAN Bus 부하율은 더욱더 효과적으로 감소할 것으로 예상된다.
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