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2020/11/02

車載ネットワークの歴史と規格概要~CANからLIN、FlexRay、CAN FDまで

今や、車両に搭載されているほとんどのECU※1に通信手段が搭載されています。2輪車でも中型大型車で採用が進んでいます。本稿では通信手段の中でも、日本や欧米で生産されている車両のほとんどに適用されている通信プロトコル※2CAN※3を主に、導入されてきた経緯や現状について概説します。

始めに車両内ネットワークが導入された背景や歴史を述べてから、CAN規格の概要を説明します。CAN以外にLIN、FlexRay、CAN FDという現在導入されている主要な規格が生まれた理由や、特長、使用されるアプリケーションなども解説します。最後に今後の規格の動向と、評価用測定器の代表例を紹介します。
《本稿の記述は、筆者の知見による解釈や、主観的な取り上げ方の面もあることをご容赦ください。》

※1

Electronic Control Unit エンジンやブレーキ、通信機器を制御するユニット

※2

ここではECU間の信号を送受信する手順のこと

※3

Controller Area Network

車両内通信が導入された背景

車両内には「走る・曲がる・止まる」機能をつかさどる多くのECUが搭載されています。また、ナビなどのインフォテイメント※4や快適システム、ボディ制御にも適用されているので、ECU間の通信手段がないと車両システムを構築できない状況です。

※4

インフォメーション(情報)とエンターテインメント(娯楽)を合わせた造語。車載システムでは情報と娯楽の2つが提供されるため、このように呼ばれる。

図1 車両内通信概観
図1 車両内通信概観

ECU間の信号をやり取りするために通信手段が導入されるまで、自動車の高機能化、高度化に合わせて、ECU間を一対一の配線を接続することで行ってきました。しかしながら、各種の情報を入出力する信号やモータなどを制御するアクチュエータの数が年々飛躍的に増大し、従来手法では入出力信号を接続するコネクタのサイズが大きくなるとともに、ECUサイズの増大や配線重量の増加などの課題が深刻化してきました。

従来の配線方式でシステムを構成すると、

  1. 配線本数が多くなる
  2. コスト、重量、配線やECUの体積が増える
  3. 複数のECUに各種の信号がまたがるので制御が複雑化する
  4. 制御仕様や構造変更が難しくなる
  5. 各ECUの故障診断、安全設計が複雑化する

などの課題が顕在化してきました。これらの課題を解決するために、ECU間を接続する配線の本数を減らすことが最も効果的といえます。この課題を解決する手法として、いわゆるネットワークの導入が検討されました。ネットワークを適用することの効果は配線が減るので明確です(図2)。

図2 従来方式のシステム構成(左)とネットワーク方式でのシステム構成(右)
左 従来方式でシステムを構成
右 ネットワーク方式でシステムを構成

車両内ネットワークの歴史

車両内ネットワークを実現するためにECU間を接続するプロトコルが検討されました。1980年頃から、各自動車メーカは独自のプロトコルを導入してきました。この時点で、本稿で主に着目するCANは既に採用されていますが、標準化へ移行するほど、浸透していません。

表1 1980年頃の各自動車メーカのプロトコル
No 自動車メーカ プロトコル
1 GM J1850VPW
2 フォード J1850PWM
3 ダイムラー CAN
4 BMW I-BUS
5 トヨタ BEAM
6 ホンダ MPCS
7 日産 DUETTE
8 マツダ PALMNET
9 三菱 SWS

出典:平成18年度 標準化経済性研究会報告書

CANの開発は、1983年頃にボッシュ社※5で開始されたました。このプロトコルは、1986年にデトロイトで開催された米国の自動車技術会(Society of Automotive Engineers)の会議で公式に発表されました。この仕様に基づいて、1987年にインテルとフィリップスがCANコントローラICを製造し、初めて発売されました。実際に量産車へ適用されたのは、1991年にベンツSクラスが最初です。その後、標準化の動きとなり、1994年に国際標準化機構(ISO)により標準規格(ISO11898/ISO11519)になりました。

※5

Robert Bosch GmbH ドイツに本社がある世界最大の自動車部品(電装品)メーカ

表2 標準化されたCAN規格
規格 種類 通信速度
ISO11898 高速CAN通信 125kbps~1Mbps
ISO11519 低速CAN通信 125kbps

CANプロトコルを適用する場合は主要な知的財産権を保有するボッシュ社へライセンス料が発生します。マイクロコントローラ※6などでCANプロトコルが採用されている場合、マイクロコントローラのサプラィヤーが予めライセンス料を支払っていると思われます。ボッシュ社のWebサイトでライセンスの条件を閲覧することが可能です。車両システムの故障状況やシステム診断を外部機器と接続をするプロトコルは欧米ではCAN規格が採用されています。日本でも全ての自動車メーカがCANを採用しています。CANの開発経緯から、採用されているのは車両システムだけと思われるかもしれませんが、産業用の設備や医療関係の機器など、多くの分野でも採用されています。

※6

microcontrollerメモリやI/Oを内蔵して、電子機器の制御に特化した低価格のマイクロプロセッサ。

CAN規格の概要

それでは、CANの仕様について概説します。CANには多くの特徴があります。

1. 低コスト・省配線

各ECUをシリアル配線で接続するため、車両全体の配線コストを下げることができます。

図3 CAN方式でシステムを構成した例
図3 CAN方式でシステムを構成した例(信号によっては配線で接続する場合もある)

信号によっては配線で接続する場合もある

ネットワークトポロジー(配線の構造)にはスター型、リング型、バス型などがあり、CANはバス型です。

図4 ネットワークトポロジー (左)スター型 (中)リング型 (右)バス型
ネットワークトポロジー スター型
ネットワークトポロジー リング型
ネットワークトポロジー バス型

2. システムの柔軟な拡張性

バス型のトポロジーなのでノードの追加や削除がしやすい構成です。

3. 高信頼性

外部ノイズに強い差動信号方式となっており、またデータの正確性を検知するCRC(Cyclic Redundancy Check)が付加されています。

4. マルチタスク

各ノード※7からアクセスできるマルチマスタ方式※8を採用しています。バスが空いていれば、どのノードからでも送信を開始することができます。

※7

node コンピュータネットワークにつながったさまざまな機器(能動的な電子デバイス)。

※8

1つのネットワーク内で複数のマスタがスレーブに対して通信できる方式。1つのノードがマスタとなり、それ以外のノード(スレーブ)の通信タイミングをコントロールするのをシングルマスタ方式という。

図5 マルチマスタ方式
図5 マルチマスタ方式

5. 送信の優先順位付け

他のノードよりも早くバスにアクセスしたノードが送信の優先権を得ますが、複数のノードから同時にデータが送信された場合、バス上で信号の衝突を検知し、ID※9による優先順位の決定が行われます。優先順位が高いIDが送信されることになります。この方式はCSMA/NBA方式(Carrier Sense Multiple Access Nondestructive Bitwise Arbitration)といわれています。Ethernetで採用されている方式はCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)です。信号の衝突を検知したノードは他のノードが発信していないかを検出し、発信していない場合、所定時間待機後に再送信します。そのため、一時的にバスが空になり、バスの使用効率が低下しますが、CANの方式は何れかのノードが送信するのでバスの使用効率は高くなります。

※9

バス上に送信するデータの内容や送信ノードの識別、優先順位情報

CAN以外の規格の概要

車両内ネットワークのプロトコルにはCANの他にも、通信速度やコストなどの目的に応じた各種のプロトコルが採用されています。代表的な規格として、LIN、FlexRay、CAN FDがあります。

表3 各プロトコルの開発経緯
1991年 ISO11519-1認証(CAN低速規格)
1993年 ISO11898認証(CAN高速規格)
2000年 LINコンソーシアム設立
2000年 FlexRayコンソーシアム設立
2012年 ボッシュ社がCAN FD 1.0を発表

1. コスト重視のプロトコル ~ LIN(Local Interconnect Network)

CANは既に多くの車両やシステムで採用されていますが、アクチュエータなどの通信ではブレーキの制御システムで求められるような通信速度や信頼性は必要とされていません。コストの観点でもCANの採用は最適と思われません。そこで、策定されたのがLINです。2000年にコンソーシアムが設立され、自動車メーカ、半導体サプライヤーなどが参加し、規格化を推進してきました。CANプロトコルと異なりLINプロトコルはパテントフリーです。適用されている分野はパワーウインドウ、ドアロックなどの快適系やウォーターポンプなどの制御系で採用されています。LINの主な特徴を以下に述べます。

1)ネットワークトポロジー

ワイヤ1本で構成するバス型です。ハードウエアのインタフェースはコンパレータ方式なので、CANに比べて低コスト化が可能になります。

2)ネットワークマネジメント

シングルマスタ方式です。CANのようにメッセージの調停を行わないので、マスタノードが通信スケジュールの管理と「トークン」といわれる送信要求をバス上に送信します。スレーブノードは「トークン」に応じてデータを送信します。

図6 シングルマスタ方式
図6 シングルマスタ方式

3)通信方式

多くのマイクロコントローラに搭載されているUART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 汎用非同期送信受信)を使用して送信受信を行います。

4)クロック精度

マスタノードの最大許容誤差は0.5%以内、スレーブノードの最大許容誤差は15%以内です。

5)同期方式

スレーブノードはフレームごとにクロック誤差を補正するためのデータを受信します。データ1ビットの時間を計測し、必要に応じてUARTのボーレートを調整します。この方式により、スレーブノードがクロックの精度を高めることは不要になります。

2. 制御系のECUで適用されている高速プロトコル ~ FlexRay

2000年に欧米の自動車メーカや半導体メーカがメンバーとなったFlexRayコンソーシアムが設立され、規格化の活動を推進してきました。FlexRayのコンセプトはCANに比べて、機能性能の面で上位に位置づけられる仕様です。適用を想定しているシステムとしてはステアバイワイヤ※10などです。このシステムではデータ送受の高速性に加えて、冗長性が求められます。日本では2004年にCANの代替規格としてFlexRayのコストダウンを観点にした規格の策定を主な目的として、自動車メーカやサプライヤーが参加したJASPAR(Japan Automotive Software Platform and Architecture)が設立され、仕様を策定してきました。

※10

Steer-by-wire 自動車の運転制御システムの一種。従来の機械式制御に代わり電線(ワイヤ)の電気信号でステアリングを制御する。

FlexRayの主な特徴は、以下の4つが挙げられます。

1)時分割アクセス

通信方式はTDMA(Time Division Multiple Access)。ノードの通信時間を一定時間ごとに分割することで多重通信を実現しています。この方式では、送信タイミングや順番を予め定めているので、送信の衝突は発生せず、バス上の負荷を制御できます。CANはイベントドリブン方式(送信するタイミングは各ノードが独自に送信)です。前述したCANの特長であるデータの衝突と優先順位処理が発生します。そのため、CANでは期待したタイミングでデータの送信を行えない可能性があります。

2)ネットワークトポロジー

CANはバス型ですが、FlexRayはスター型、バス型との混合型など、色々なトポロジーに対応できます。

3)高信頼性

ネットワークが2重化されているので、冗長性が高く、通信の継続性を維持できます。

4)高速通信

最大10Mbpsが可能です。

3. CANの高速化プロトコル ~ CAN FD(CAN Flexible Data rate)

CANの通信速度はシステムの高度化に対して、送受信のスピードやデータ量の課題が顕在化しました。これらの課題を解決するため、ボッシュ社はCAN規格の拡張に取り組み、2012年にCAN FD 1.0を発表しました。この仕様では、高速の通信速度に切り替わるだけでなく、異なるデータ長を可能にするデータ構造となっています。CAN FDは既存のCAN 2.0プロトコルと互換性があり、CAN FD ECUは既存のCAN ECUと同じバス上に共存できます。

車両内ネットワークで主として採用されている各プロトコルの特長をまとめると以下の通りです。

表4 通信プロトコルの比較
プロトコル CAN CAN FD LIN FlexRay
アプリケーション例 制御系 制御系 ボディ制御、
アクチュエータ制御
シャーシ制御
エンジン、ブレーキ、電動パワステ EV、エンジン ドア、エアコン ステアバイワイヤ
特徴 プロトコルとして主流 CANの高速化 低コスト、
簡単なデータ保護(パリティ、チェックサム)
高速通信、高信頼性
最大通信速度 1Mbps 5Mbps 20kbps 10Mbps
送信データ長 8byte 64byte 最大8byte 254byte
ハードウェアインタフェース 差動電圧(2線) 差動電圧(2線) コンパレータ(1線) 差動電圧(2線、2チャンネル)

CANに関する今後の動向ですが、2018年頃から、第三世代CANと言われるCAN XLの開発が開始されています。今後の仕様公開が待たれます。

今後のネットワーク

今後の車載ネットワークの動向ですが、自動運転を行うためには、高精細カメラや車載レーダ、LiDAR※11などによるセンシング技術の高度化が必要となり、従来の通信手段では通信速度やデータ量の対応が難しくなっています。解決策として車載Ethernetの採用が始まっています。日産自動車が2019年9月に発売した新型セダン「スカイライン」では、車載Ethernetを採用したことが明らかになっています。本稿では車載Ethernetに関して取り上げていませんが、最大1Mビット/秒のCANに対して、車載Ethernetの規格 100Base-T1では100倍以上の100Mビット/秒でのデータ伝送が行われます。なお、PCなどで普及している100Base-TXとは各種仕様が異なっています。

※11

Light Detection and Ranging(光検出と測距)またはLaser Imaging Detection and Ranging(レーザ画像検出と測距)。光を使ったセンシング技術の一つで、自動運転での導入が有望。

関連計測器の紹介

CANプロトコルをはじめ、車載ネットワークシステムを評価するためには、各プロトコルに対応した測定器類が欠かせません。各プロトコルに対応したオシロスコープの代表例を紹介します。

表5 車載ネットワークのプロトコルに対応したオシロスコープの例
メーカ 横河計測 テクトロニクス キーサイト・テクノロジー
形名 DLM3054 MDO34 3-BW-1000 MSOX6004A
CAN
CAN FD
LIN
Flexray

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なお、オプションの追加により機能を有する製品もあります。その他の各社製品や仕様などについては、計測器情報ページ から検索してください。

おわりに

車両内ネットワークの導入により、システムの多機能化や高度化を実現してきましたが、自動車世界に変革をもたらすといわれているCASE(Connected、Autonomous、Shared、Electric ケース)により、自動化や電動化がさらに進みます。これらを実現するためには車両システムを構成するネットワーク技術の重要性がますます高まってくると推察されます。今後も車両内ネットワーク技術の動向に目が離せません。


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