최근의 자동차 내부에는 차량의 제어, 진단기능 및 ECU 프로그램 업그레이드 등의 다양한 목적으로 차량 내부 네트워크를 사용하고 있는데 현재 CAN과 FlexRay가 가장 대표적인 네트워크이며 차세대 네트워크로는 CAN FD와 차량용 이더넷의 사용이 적극 연구되고 있다. 본 논문에서는 진단기능 및 ECU 프로그램 업그레이드 관점에서 CAN, CAN FD, 그리고 FlexRay 네트워크 적용시의 각 네트워크별 다운로드 시간과 관련된 특성에 대해서 상호 비교 평가를 하는 것을 목적으로 하였다. 시뮬레이션 결과 CAN FD 네트워크가 현재 실질적인 사용가능 속도인 500Kbps, 2Mbps 조건에서도 가격대비 성능측면에서 다른 네트워크들을 제치고 차세대 네트워크로 가장 적합함을 판단할 수 있었다.
최근의 자동차 내부에는 차량의 제어, 진단기능 및 ECU 프로그램 업그레이드 등의 다양한 목적으로 차량 내부 네트워크를 사용하고 있는데 현재 CAN과 FlexRay가 가장 대표적인 네트워크이며 차세대 네트워크로는 CAN FD와 차량용 이더넷의 사용이 적극 연구되고 있다. 본 논문에서는 진단기능 및 ECU 프로그램 업그레이드 관점에서 CAN, CAN FD, 그리고 FlexRay 네트워크 적용시의 각 네트워크별 다운로드 시간과 관련된 특성에 대해서 상호 비교 평가를 하는 것을 목적으로 하였다. 시뮬레이션 결과 CAN FD 네트워크가 현재 실질적인 사용가능 속도인 500Kbps, 2Mbps 조건에서도 가격대비 성능측면에서 다른 네트워크들을 제치고 차세대 네트워크로 가장 적합함을 판단할 수 있었다.
Recent vehicles are using car internal network for various purposes such as vehicle control, diagnostic functions, and ECU program upgrade. Currently CAN and FlexRay are the most representative networks. In the next-generation network, the use of CAN FD and car ethernet is actively studied. In this ...
Recent vehicles are using car internal network for various purposes such as vehicle control, diagnostic functions, and ECU program upgrade. Currently CAN and FlexRay are the most representative networks. In the next-generation network, the use of CAN FD and car ethernet is actively studied. In this paper, we aimed to compare and evaluate the diagnostic function and the program of the ECU from the upgrade view on characteristics related to download time for each network when CAN, CAN FD, and FlexRay network are applied. As a result of the simulation, it was possible to determine that the CAN FD network is currently the most suitable for the next-generation network by suppressing other networks in terms of cost performance even under conditions of 500 Kbps and 2 Mbps which are practically usable speeds.
Recent vehicles are using car internal network for various purposes such as vehicle control, diagnostic functions, and ECU program upgrade. Currently CAN and FlexRay are the most representative networks. In the next-generation network, the use of CAN FD and car ethernet is actively studied. In this paper, we aimed to compare and evaluate the diagnostic function and the program of the ECU from the upgrade view on characteristics related to download time for each network when CAN, CAN FD, and FlexRay network are applied. As a result of the simulation, it was possible to determine that the CAN FD network is currently the most suitable for the next-generation network by suppressing other networks in terms of cost performance even under conditions of 500 Kbps and 2 Mbps which are practically usable speeds.
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문제 정의
본 논문에서는 차량용 이더넷 백본 네트워크의 서브네트워크로 사용될 수 있는 CAN과 FlexRay 그리고 새롭게 제안된 CAN FD에 대해서 진단 시스템 및 ECU 프로그램 다운로드 기능을 중심으로 데이터 전송 시의 버스 효율에 대해서 비교하고 CAN FD의 적용 가능성에 대해 판단하는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 본 논문에서 다루고 있는 CAN, CAN FD 및 FlexRay에 대해서 간략히 설명을 실시하였고 3장에서는 진단 시스템 및 대용량 데이터 전송과 관련하여 각 네트워크 별 데이터 통신의 효율성을 시뮬레이션하기 위한 조건들을 설정하였고 4장에서는 시뮬레이션 결과를 통해 각 네트워크별 버스 효율을 비교하고 평가하였다.
표 1에서 보이듯이 CAN과 CAN FD의 경우 차량 기본 제어용 데이터와 버스를 경합하면서 사용되므로 버스 효율을 50%로 산정하였다. CAN의 최고속도는 1Mbps이나 실제 현장에서는 안정적인 사용을 위해 최고 500Kbps의 사용을 권장하고 있으므로 500Kbps 버스속도를 적용하였고 CAN FD의 경우는 기본 버스속도 1Mbps, 확장 버스속도 8Mbp 이외에 추가적으로 현재 사용이 가능한 최대 버스속도인 기본 버스속도 500Kbps, 확장 버스속도 2Mbps를 사용한 시뮬레이션도 포함하였다. FlexRay는 10Mbps 속도에 정적세그먼트 3ms, 동적 세그먼트 2ms로 설정하였고 대부분의 제어 데이터가 정적 세그먼트에서 처리되므로 동적 세그먼트의 버스 점유율을 80%로 할당하였다.
본 논문에서는 그림 1의 구성처럼 이더넷 기반의 백본 시스템에서 DoIP의 최대 전송 데이터 크기인 1,500바이트와 ECU 프로그램 업그레이드를 위한 128K바이트의 프로그램 데이터를 각 네트워크로 다운로드하는데 필요한 각 네트워크의 버스 점유시간 시뮬레이션을 실시하였다.
시뮬레이션을 실시하기 위해 각 네트워크별로 데이터 크기에 따라 달라지는 프레임의 길이를 정리하면 수식 1~5와 같은데 CAN과 CAN FD는 bit stuffing 개념을 사용하여 신호의 안정성을 확보하고 있으나 추가되는 stuffing bit의 개수는 프레임 데이터의 내용에 따라 많은 편차가 있을 수 있고 상대적으로 비트수가 크지 않기 때문에 본 논문에서 실시하는 시뮬레이션에서는 이를 무시하였다.
표 1에서 보이듯이 CAN과 CAN FD의 경우 차량 기본 제어용 데이터와 버스를 경합하면서 사용되므로 버스 효율을 50%로 산정하였다. CAN의 최고속도는 1Mbps이나 실제 현장에서는 안정적인 사용을 위해 최고 500Kbps의 사용을 권장하고 있으므로 500Kbps 버스속도를 적용하였고 CAN FD의 경우는 기본 버스속도 1Mbps, 확장 버스속도 8Mbp 이외에 추가적으로 현재 사용이 가능한 최대 버스속도인 기본 버스속도 500Kbps, 확장 버스속도 2Mbps를 사용한 시뮬레이션도 포함하였다.
성능/효과
CAN FD의 경우 500Kbps의 기본 버스속도와 2Mbps의 확장 버스속도를 사용할 경우(조건 3, 4)에는 FlexRay와 대비하여 약 4~4.4배 정도의 버스 점유시간의 차이가 있으나 만약 CAN FD의 이론적인 최대 버스속도인 1M/8Mbps가 구현될 경우(조건 5, 6)에는 FlexRay 기준 약 1.2 ~ 1.4배로 그 격차가 매우 줄어들게 되어 FlexRay와의 가격대비 성능을 고려할 때 CAN FD의 사용이 훨씬 유리함을 알 수 있었다.
또한 CAN FD는 500Kbps의 기본 버스속도와 2Mbps의 확장 버스속도를 사용할 경우(조건 3, 4)에 CAN과 대비해 약 5배 이상의 성능향상을 가져오며 이론적인 최대버스속도인 1M/8Mbps가 구현될 경우(조건 5, 6)에는 CAN 대비 약 18배의 향상이 있기 때문에 FlexRay와는 다르게 비교적 적은 비용으로 기존 CAN을 대체할 충분한 성능을 가지고 있음을 알 수 있었다.
본 논문에서의 시뮬레이션 결과에 의하면 CAN FD는 최고 버스속도인 1Mbps/8Mbps로 구현되지 않고 현재 구현이 가능한 0.5M/2Mbps의 속도로도 기존의 CAN과 함께 버스를 구성할 수 있는 장점과 FlexRay 대비 상당히 저렴한 가격으로 인해 향후 차세대 서브네트워크로 각광을 받을 것으로 판단되었다.
표 2를 보면 CAN(조건 1, 2)의 경우 버스속도도 낮지만 한 프레임에서 최대 8바이트만 전송할 수 있으므로 8바이트 이상일 경우 복수개의 8바이트 단위의 메시지로 구분하여 전송하기 때문에 다른 IVN보다 매우 높은 버스 점유시간이 필요하게 되어 매우 비효율적임을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초창기 ECU의 사용 목적은 무엇이었는가?
전자산업의 발달로 근래의 자동차는 수많은 ECU(Electronic Control Unit, 전자제어장치)를 사용하고 있다. 초창기의 ECU들은 단순히 자동차 내의 수많은 센서, 스위치, 액추에이터(모터, 램프 등) 간을 연결하는 전기배선(wiring harness)들을 줄이기 위한 목적으로 사용되었으나 근래에는 엔진 제어와 변속기 제어 등의 성능 향상, 섀시(chassis) 제어, ABS, TCS 등을 통한 안정성 확보는 물론 기타 바디(body) 제어 및 편의장치로의 적용이 활발히 이루어 졌다. 이러한 네트워크들은 차량 내부의 ECU들 간의 정보교환은 물론 차량 외부와 연결되어져 차량 진단용 정보의 교환 및 ECU의 업그레이드를 위한 프로그램 데이터의 다운로드 등의 기능도 지원하고 있다.
최근의 자동차에 사용되는 전자제어장치는 어떤 용도로 활용되고 있는가?
전자산업의 발달로 근래의 자동차는 수많은 ECU(Electronic Control Unit, 전자제어장치)를 사용하고 있다. 초창기의 ECU들은 단순히 자동차 내의 수많은 센서, 스위치, 액추에이터(모터, 램프 등) 간을 연결하는 전기배선(wiring harness)들을 줄이기 위한 목적으로 사용되었으나 근래에는 엔진 제어와 변속기 제어 등의 성능 향상, 섀시(chassis) 제어, ABS, TCS 등을 통한 안정성 확보는 물론 기타 바디(body) 제어 및 편의장치로의 적용이 활발히 이루어 졌다. 이러한 네트워크들은 차량 내부의 ECU들 간의 정보교환은 물론 차량 외부와 연결되어져 차량 진단용 정보의 교환 및 ECU의 업그레이드를 위한 프로그램 데이터의 다운로드 등의 기능도 지원하고 있다.
CAN의 단점은 무엇인가?
이렇게 다양한 기능들을 처리하기 위해서 많은 ECU들이 차량에 적용되면서 이들 ECU들은 그 특성에 따라 다양한 종류의 차량용 네트워크(IVN : In-Vehicle Network)로 연결되어져 있다. CAN(Controller Area Network)[1][2]의 경우가 가장 보편적으로 많이 사용되는 IVN이지만 최대 1Mbps의 낮은 버스속도, 한번에 8바이트밖에 전송할 수 없는 프레임 포맷 및 전송시간을 예측할 수 없는 ID 기반 우선순위를 사용하는 이벤트 트리거(event-trigger) 방식이기 때문에 근래에는 최고 10Mbps의 높은 버스속도를 지원하며 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 이용해 전송시간을 보장하는 FlexRay[3][4]가 도입되어 광범위하게 적용되고 있다. FlexRay는 많은 장점에도 불구하고 실제 차량 적용 시의 높은 비용 때문에 최근에는 차량용 이더넷을 이용해 FlexRay를 대체하려는 연구[5][6]가 적극적으로 진행되고 있다.
참고문헌 (12)
Robert Bosch GmbH."CAN Specification Version 2.0," 1991.
Microchip, MCP2515 data sheet, 2007, from http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21801e.pdf
FlexRay Consortium, "FlexRay Communications System Protocol Specification Version 3.0.1," Oct. 2010, from https://svn.ipd.kit.edu/nlrp/public/FlexRay/FlexRay%E2%84%A2%20Protocol%20Specification%20Version%203.0.1.pdf
JeongHoon Park, Chan-Woo Moon, "Design and Implementation of a FlexRay-CAN gateway for Real-Time Control," The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol.14 No.2, pp.53-58, 2014.
Jin Ho Kim, Suk-Hyun Seo, Nguyen-Tien Hai, "A Gateway Framework for In-Vehicle Networks Based on CAN, FlexRay, and Ethernet," IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, vol.. 64, no. 10, pp.4472-4486, Oct. 2015.
Charles M. Kozierok Colt Correa Robert B. Boatright Jeffrey Quesnelle, "Automotive Ethernet: The Definitive Guide," Intrepid Control Systems, 2014.
Robert Bosch GmbH."CAN with Flexible Data-Rate Specification Version 1.0," 2012.
Young Seo Lee, Jin Ho Kim, Jae Wook Jeon, "Automotive Diagnostic Gateway using Diagnostic over Internet Protocol," IEIE Transactions on Smart Processing & Computing 3(5), pp.313-318, 2014.10.
Anton Schedl, "Goals and Architecture of FlexRay at BMW," Vector FlexRay Symposium Stuttgart, Mar. 2007.
Jeongmin Yang, Youngsu Kwon, Kyoung-Sun Shin, Jin-Ho Han, "Implementation and verification of CAN 2.0 A, B, FD Integrated IP Based on Fault-Tolerant Vehicle Processor,"The Institute of Electronics Engineers of KOREA, pp.1832-1835, 2015.6.
JeongHoon Park, Chan-Woo Moon, "Design and Implementation of a FlexRay-CAN gateway for Real-Time Control", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), Vol. 14, No. 2, pp.53-58, Apr. 30, 2014.
Seong-Mi Park, Sang-Hyeok Lee, Sung-Jun Park, Bae-Ho Lee, "A Study of Parallel Operation of Module Power using CAN Communication", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society(JKAIS), Vol. 12, No. 8 pp. 3603-3609, 2011.
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