전기 29 > 자동차 통신 시스템

1. 통신 개요 및 데이터 통신 방법

(1) 통신(Communication) 이란?

      통신은 인류의 발생과 함께 시작되었다. 인간이 사회를 형성하고 생활해 나가기 위해서는 개인 대 개인, 사회 대 사회 사이의 의사소통은 절대적인 필수요건이다. 만일 그 상대가 근접해 있을 때에는 몸짓이나 언어로 의사가 통하지만 양자의 거리가 멀어짐에 따라 말이나 몸짓으로 통할 수 없게 되기 때문에 타인을 통하거나 빛 연기, 소리 등을 통하여 의사를 전달하였다.

통신이란, 말 그대로 어떠한 정보를 전달하는 것이라고 할 수 있다. 일상생활에서 통신이란 단어와 통신을 할 수 있는 도구를 많이 사용한다. 예를 들면 집이나 사무실에서 사용하는 전화기, 휴대폰, 인터넷 등이 있다. 이와 같이 통신이라는 명칭은 우리에게 아주 자연스러운 단어가 되었다. 통신이라는 단어는 다음과 같이 정리 할 수 있다.

1) 사람과 사람 사이에 의사와 정보를 전달하는 것

2) 사람 사이의 대화, 횃불, 편지 등

3) 거리에 제한이 있으며, 전달하는데 시간이 소요된다.

4) 전기통신

  ① 전기를 사용하여 정보 전달

  ② 도선에 흐르는 실시간 통신 (시간적 제약 극복)

  ③ 전류와 공간을 전파하는 전자파 사용

(2) ECM(Electric Control Module) 간의 정보 공유

       ECM간에 정보를 공유한다는 것은 통신 네트워크를 구성하고 있는 각 모듈들이 자기에게 필요한 정보(DATA)를 받고 또, 다른 모듈들이 필요로 하는 정보를 제공함으로써 알아야 할 DATA를 유선을 통해 서로에게 보내주는 것이다.

우리가 사용하는 인터넷도 마찬가지다. 어떠한 정보를 찾아가기 위해 우리는 컴퓨터에 검색 프로그램을 실행하고 검색 창에 원하는 단어나 문구를 기록하면, 컴퓨터는 인터넷에 연결된 모든 컴퓨터에서 검색 창에 기록된 단어나 문구와 유사한 내용을 사용자에게 알려준다. 자동차의 전기 통신 네트워크를 구성하고 있는 모듈들이 통신하는 방법도 마찬가지이다. 각 모듈들은 서로의 정보를 통신 네트워크상에 공유하고 자기에게 필요한 데이터를 가져다 사용한다.

1) 통신 네트워크 (Communication Network)  

네트워크란 무엇인가? 먼저 단어를 살펴보면 Net + Work이다. Net는 본래 뜻이 ‘그물’이고 Work은 ‘작업’이므로 그대로 직역한다면 ‘그물 작업’이 될 것이다. 네트워크는 정확히 말하면 ‘Computer Networking’으로서 컴퓨터를 이용한 ‘그물 작업’이 될 것이다. 부드럽게 번역한다면 “컴퓨터를 이용한 작업”쯤 되지 않을까?

간단하게 결론을 내리면 ‘컴퓨터들이 어떤 연결을 통해 컴퓨터의 정보들을 공유하는 것’을 네트워크라 할 수 있다. 이러한 네트워크 통신을 하기 위해 ECM 상호간에 정해둔 통신 규칙이 있다. 이것을 통신 프로토콜(Protocol)이라 한다. 다시 말하면 서로 정보를 주고받는데 어떠한 공통된 규칙이 있고, 이 규칙에 의거하여 통신을 한다면 어느 나라에서 만든 ECM일지라도 집이나 사무실에서 사용하는 컴퓨터 부속들처럼 서로 통신할 수 있는 것이다.

2) 통신 프로토콜(Communication Protocol)

통신 프로토콜은 통신 네트워크를 구성하고 있는 모듈들이 정보를 주고받는 방법에 대한 규칙과 약속을 말한다. 다시 말하면 내가 미국사람과 대화할 때 나는 한국어로 말하고 미국 사람은 영어로 말하면 서로 알아듣지 못할게 뻔하다. 이것이 바로 통신 오류이고 자동차 전기 통신 시스템에서 얘기하는 통신 불량인 것이다.

(3) 데이터 통신

1) 데이터 통신이란?

통신 네트워크를 구성하고 있는 정보기계 사이에 디지털 2진 형태로 표현된 정보를 송신 또는 수신하는 행위를 말한다. 즉 데이터 통신이란 통신 선로에 연결된 하나 또는 그 이상의 단말기 및 컴퓨터에 의한 정보의 전달을 의미한다.

2) 데이터 통신 시스템

데이터의 전송 및 처리를 목적으로 하여 유기적으로 구성한 것을 말한다.

3) 데이터 통신 시스템의 구성요소

  ① 데이터 전송계：정보의 이동을 담당

  ② 데이터 처리계：정보의 가공과 처리 및 보관 등의 기능 담당

  ③ 단말 장치：정보의 입력 및 수신을 담당

  ④ 신호 변환 장치：정보의 변조⋅복조를 담당

  ⑤ 통신 회선：변환된 신호의 이동 통로 (네트워크 통신 망)

  ⑥ 중앙 처리 장치：CPU

  ⑦ 주변 장치：보조 기억 장치, 프린터 등

4) 데이터 통신 시스템의 기본기능

  ① 인터페이스：인접한 장비와의 접속

  ② 신호 발생：전기적인 신호를 발생하여 전송

  ③ 동기화：각 비트나 패킷 별로 정확한 시작점 검출

  ④ 교환원리：목적지로 교환하기 위한 관리기능

  ⑤ 에러감지 및 수정：오류를 검사하고 올바른 정보를 수집하는 기능

  ⑥ 흐름 제어：과도한 데이터 유입으로 인한 데이터 분실을 방지하는 기능

  ⑦ 주소 지정：고유한 주소를 지정하는 기능

  ⑧ 경로 배정：목적지 주소로 중계하기 위해 다음 노드를 결정하는 기능

  ⑨ 회복：분실된 메시지를 일련 번호 등을 이용하여 재 수신하는 기능

  ⑩ 메시지의 형식화：장비 상호간의 약속한 형식대로 메시지를 구성하는 기능

  ⑪ 보안：메시지의 도청을 방지하는 기능

  ⑫ 시스템 관리：신속히 장비를 복구, 관리하는 기능

(4) 데이터 전송 기술 및 방식

1) 전송 기술에 의한 방식

  통신방식에는 통신선상에 전송되는 데이터가 어느 방향으로 전송이 되고 있는가에 따라서 다음과 같이 구분할 수 있다.

   • 시리얼 통신 : 여러 가지 작동 데이터가 동시에 출력이 되지 못하고 순차적으로 나오는 방식을 말한다. 즉 동시에 2개의 신호가 검출될 경우 정해진 우선순위에 따라 우선순위인 데이터만 인정하고, 나머지 데이터는 무시하는 것이다. 이 통신은 단방향, 양방향 모두 통신할 수 있다.

2) 전송 방법에 의한 구분

데이터를 전송하는 방법에는 여러 개의 Data bit를 동시에 전송하는 병렬통신과 한 번에 한 bit씩 전송하는 직렬통신으로 나눌 수 있다.

① 직렬 통신：컴퓨터와 컴퓨터 간 또는 컴퓨터와 주변장치 간에 비트 흐름(bit stream)을 전송하는데 사용되는 통신을 직렬통신이라 한다. 통신 용어로 직렬은 순차적으로 데이터를 송⋅수신한다는 의미이며, 일반적으로 데이터를 주고받는 통신은 직렬통신이 많이 사용된다. 예를 들면, 데이터를 1bit씩 분해해서 1조(2개의 선)의 전선에 직렬로 보내고 받는다.

②  병렬 통신： 병렬통신은 보내고자 하는 신호(또는 문자)를 몇 개의 회로로 나누어서 동시에 전송하게 되므로 데이터 전송시 신속을 기할 수 있으나, 회선 및 단말기 설치비용은 직렬통신에 비해서 많이 소요된다.

3) 전송 시작방법에 의한 구분

① 비동기 통신

㉮ 비동기 통신은 데이터를 보낼 때 한 번에 한 문자씩 전송되는 방식이다. 즉 매 문자마다 Start bit, Stop bit를 부여하여 정확한 데이터를 전송한다. 비동기 방식의 데이터 통신은 전압의 저하, Noise의 유입이나 그 밖의 다른 문제들로 인해 전송 도중에 연결이 방해를 받아 bit의 추가나 손실이 될 수 있다. (예: CAN 통신, LIN 통신)

㉯ 차량에 적용된 비동기 통신(CAN)은 통신선의 단선이나 단락에 의한 고장이 발생하여 시스템이 작동이 되지 않는 것을 방지하기 위해 2선(CAN-HI, CAN-LOW)으로 되어 있다. 즉 1선에 이상이 발생 되어도 또 다른 선에 의해 정상적인 통신이 가능하다.

② 동기 통신

㉮ 동기 통신은 문자나 bit들이 시작과 정지코드 없이 전송이 되며, 각 bit의 정확한 출발과 도착시간에 대한 예측이 가능하다. 그러나 Data를 주는 ECM과 받는 ECM의 시간적 차이를 막기 위해 별도의 SCK(Clock 회선)를 반드시 설치해야 한다. 그렇지 않으면 Data 신호 내에 Clock 정보를 포함시켜야 한다. (예: 3선 동기 통신)

㉯ 3선 동기 통신 중 가장 중요한 신호는 SCK선이다. 이 통신 선에 문제가 발생이 되면, 데이터가 출력이 되어도 시스템이 작동되지 않는다. 하지만 TX나 RX선에 문제가 발생되면 해당되는 기능만 작동이 되지 않는다.

4) 배선 유무에 따른 구분

①  유선 통신

유선 통신이란 도선을 사용하는 방법으로 정보를 전달한다. 유선 통신은 송⋅수신 양자가 전선으로 연결되고, 그것에 의하여 신호가 매개되는 전기통신을 총칭한다. 대표적인 것이 전신, 전화인데 하나의 송신에 대하여 다수의 수신을 원칙으로 하는 무선 통신과는 달리 1：1의 통신이 원칙인 것이 유선 통신 방식이다. 우리가 사용하는 대부분의 통신방식이 여기에 해당되며, 우리가 학습하고자 하는 자동차 전기 통신도 여기에 해당된다. 예) 전화기, 팩스, 인터넷, 자동차 전기 통신 등

② 무선 통신

무선 통신은 정보를 전달하는 방식이 통신선이 없이 무선 주파수를 이용하는 것을 말한다. 예) 무전기, 휴대폰, 자동차 리모컨, 이모빌라이저 안테나 코일, 스마트 키 LF 안테나 등

2. 자동차에 통신을 사용하는 이유

(1) 자동차 통신 네트워크의 필요성

자동차의 기술이 발달하면서 성능 및 안전에 대한 소비자들의 심리가 커져만 간다. 이왕이면 조금 더 힘세고 안전하고 편안한 차량을 요구하는 것이다. 이에 대응하기 위해 자동차에는 많은 ECM과 편의장치가 적용되고 그에 따른 배선 및 부품들이 갈수록 많이 장착되고 있는 것이 현실이다.

반면에 그에 따른 고장도 많이 발생되고 있다. 특히 전장품들이 상당 수 추가 되면 배선도 같이 증가 되어야 함으로써 그만큼 고장이 발생될 수 있는 부위도 많아진다는 것이다. 이러한 문제를 조금이나마 감소시키기 위해서 자동차의 바디전장 제어 ECM에 통신 네트워크를 적용하여 입⋅출력 정보들을 공유하게 된 것이다.

1) 기술의 발전

반도체, 소프트웨어 기술의 발전과 가격 저하

2) 소비자 성향의 변화

① 안전하고 다양한 편의 사양을 갖춘 스마트(Smart)한 차량의 요구

② 최신 기술의 장비에 대한 선호

3) 차량의 변화

① 전장품 증가에 의한 와이어링의 증가 및 복잡화(중량증가, 생산성 저하, 고장요소 증가)

② 차량 전자제어 장치 및 멀티미디어의 증가(CD, DVD, AV, 내비게이션 장치 등)

③ 차량의 움직이는 사무실 화(텔레매틱스, PDA, PC 등)

④ 지능형 차량 개발

⑤ 전자기술 변화에 대응

⑥ 간편한 업그레이드

(2) 자동차 통신 네트워크 적용의 장점

① 배선의 경량화：제어를 하는 ECM들 간의 통신으로 배선이 줄어든다.

② 전기장치의 설치장소의 확보용이：가장 가까운 곳에 설치된 ECM에서 전장품의 작동을 제어한다.

③ 시스템 신뢰성 향상：배선이 줄어들면서 그만큼 사용하는 커넥터 수의 감소 및 접속점이 감소하여 고장율이 낮고 정확한 정보를 송⋅수신할 수 있다.

④ 진단장비를 이용한 자동차 정비：통신 단자를 이용하여 각 ECM의 자기진단 및 센서 출력 값을 진단장비를 이용하여 점검할 수 있어 정비성이 향상된다.

3. 자동차에 적용되는 전기 통신의 종류

(1) 자동차 통신 네트워크 구성

(2) 자동차 통신 네트워크의 종류

1)  CAN (Controller Area Network)

① 파워 트레인, 섀시 제어기 사이의 통신 및 바디전장을 제어하는 모듈간의 통신에 사용

② 2Wire로 구성되며, 통신 속도에 따라 HIGH SPEED CAN과 LOW SPEED CAN으로 분류

2)  SAE J1850

① 직렬 통신 방식이며, PWM(Pulse Width Modulation: 펄스 폭 변조)을 이용

② 주로 고장 진단에 사용되었으며, 최근에는 사용하지 않는 추세 임

3) ISO 4230(KWP 2000：Key word Protocol 2000)

① 고장 진단용 장비와의 통신을 위한 규약

② 1 라인의 직렬 통신 방식을 채택하고 있음

4) MOST (Media Oriented System Transport)

멀티미디어 장치간의 데이터를 전달하기 위한 네트워크

5)  LIN (Local Interconnect Network)

① 각종 편의사양 및 스위치(센서)간의 통신

② 1라인의 직렬통신 방식, 최대 20 Kbps 전송속도를 가짐(Master - Slave 방식)

(3) 자동차 통신 네트워크의 적용 예

(4) 자동차 CAN 통신 시스템

1)  CAN (Controller Area Network)

 ① 차량용 컨트롤러의 적용 증가로 제어 모듈 간의 효율적인 정보의 공유를 위한 통신 표준이 필요

 ②  80년대의 중반부터 BOSCH사에서 제어기 간 통신 사양을 표준화하여 점차 유럽 표준으로 발전

 ③  제어 모듈 간의 네트워크 구현을 통한 다양한 제어기능 개발 및 응용을 위한 기반

 ④  공장 자동화 및 철도 등 이용 분야가 광범위화되는 추세

2)  CAN (Controller Area Network) 특징

 ① Multi-Master 방식：모든 CAN의 구성 모듈은 정보 메시지 전송에 자유 권한이 있음

 ② 통신 중재：메시지가 동시에 전송될 경우 중재 규칙에 의해 순서가 정해짐

 ③ 듀얼(Dual) 와이어 접속 방식의 통신선으로 구성이 간편함

 ④ 고속 통신이 가능함

 ⑤ 신뢰성⋅안정성：에러의 검출 및 처리 성능 우수

 ⑥ 통신방식：비동기식 직렬 통신

 ⑦ Low Speed CAN：125Kbps 이하, 바디전장 계통의 데이터 통신에 용용

 ⑧ High Speed CAN：125Kbps 이상, 실시간(Real Time) 제어에 응용(파워트레인, 섀시)

3) CAN통신 Class 구분 : SAE 정의 기준

4)  K-라인 통신방법 (KEP 2000)

5)  CAN 통신 라인 연결 예(High Speed CAN)

6)  CAN 컨트롤러의 연결 구조 및 역할

① 입력 메시지 필터 링：수신하고자 하는 메시지만 받아들임

② 입력 메시지에 대하여 수신 확인 신호, 에러 신호, 지연 신호 등을 자동으로 전송

③ CPU에 입력 메시지 전달, 버스 상태 전달, CAN 컨트롤러 상태 전달

④ CPU로부터 전송할 메시지를 받아 버스에 송신：통신 중재를 스스로 수행

7) 저속 CAN &고속 CAN 통신 연결방식

8) 고속 CAN 통신의 특징

① ISO 11898 ② CAN 통신 Class 구분：Class C

③ 전송 속도：최대 1 Mbps ④ BUS 길이：최대 40m

⑤ 출력 전류：25mA 이상 ⑥ 통신 선로 방식：Line 구조 (2선)

⑦ 신호 개수：약 500~800개 ⑧ 메시지 개수：약 30~50개

9) 저속 CAN통신의 특징

① ISO 11519 ? CAN 통신 Class 구분：Class B

② 전송 속도：최대 128 Kbps ? BUS 길이：전송 속도에 따라 다름

③ 출력 전류：1mA 이하 ? 통신 선로 방식：Line 구조(2선)

④ 신호 개수：약 1200~2500개 ? 메시지 개수：약 250~35개