CAN通信技術の概要
自動車や産業機器など、多種多様な分野で活用されている通信規格としてCAN(Controller Area Network)が知られている。これは車載ネットワークの代表格とされ、エンジン制御やエアバッグなどの重要機能から、パワーウインドウや車内照明のようなサブシステムに至るまで、広範囲な情報伝達を低コストかつ高信頼で実現する仕組みである。そもそも車載ネットワークでは、多くのセンサやアクチュエータが複雑に連動するため、安定したデータ通信が不可欠となるが、従来の方式では配線やプロトコルが複雑化しがちであった。そこで、汎用性と拡張性を兼ね備えたCANが採用されるようになった経緯がある。近年では自動車以外の分野にも応用され、工作機械やロボット制御装置など、リアルタイム通信が求められる産業機器でもCANが活用されている。機能安全規格との親和性も高く、故障やノイズへの耐性が求められる場面で強みを発揮するのが特徴である。
CANの基礎概念
CANは差動信号方式を採用することで、電気的ノイズに強い設計となっている。これは車両内の激しい振動や外部からの電磁干渉にも耐え得る通信手段を確保するためであり、誤送信やデータ欠損を低減する狙いがある。さらにCANはデータフレームを識別子(ID)によって管理する仕組みを持ち、優先度を設定しながら柔軟にメッセージを送受信できる点が特徴的である。例えば高優先度のフレームはバス上で競合が発生しても先んじて送信され、緊急時の制御や安全関連のイベントを確実に扱うことが可能である。これらの設計により、複数のECU(Electronic Control Unit)が同一バスを共有しても、衝突回避のメカニズムが機能し、スムーズな通信を維持することができる。このように、耐ノイズ性と優先制御を両立している点こそがCANの基礎概念の要である。
物理層とプロトコル
CANの物理層は主にHigh-speed CANとLow-speed CANに分かれ、用途に応じて通信速度や構成が変化する。High-speed CANでは1 Mbps程度の通信を実現し、エンジンやブレーキなどの制御領域で用いられることが多い。一方でLow-speed CANは125 kbps程度の速度だが、故障時でも通信を継続できるフォールトトレラント機能を備えているため、ドアやランプ、シートといった周辺装置の制御に採用される例が多い。プロトコル面では、多重アクセス方式CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)を基盤とし、フレームごとにCRC(Cyclic Redundancy Check)を用いてデータの正当性を検証する。これにより、仮にバス内で衝突が起こった場合でも、再送制御によって信頼性の高い通信を保つことができる仕組みを備えている。
自動車業界での応用
自動車業界ではエンジンやトランスミッションなどのパワートレイン制御だけでなく、ステアリングやブレーキにもCANが用いられている。近年の高度な運転支援システム(ADAS)でも、レーダーやカメラからの膨大な情報を別のセンサーフュージョン装置に伝送する際にCANが活用される。しかし先進運転支援機能が増加することで、さらに多くのデータ帯域や高速通信が必要とされるようになっており、その結果としてCAN FD(Flexible Data-Rate)という拡張規格も登場している。CAN FDでは通信速度だけでなく、フレームあたりのデータ長も拡張できるため、ソフトウェアのアップデートや車両診断データの収集など、大容量のデータをやり取りする用途にも対応可能となった。今後の自動車設計では、CAN FDとの併用により、ますます効率的かつ柔軟なネットワークが構築されると期待される。
産業分野への展開
自動車で培われたCANの堅牢性や優先度制御は、産業ロボットや工作機械、医療機器などにも適用されている。特に多様なモーターやセンサーを組み合わせて動作させるロボットシステムでは、リアルタイム性が重視されるため、衝突回避機能と優先制御を組み合わせたCANの仕組みが非常に有効である。さらに工作機械でも工具の回転数や温度、位置制御などのデータを正確にやり取りする必要があるため、安定した通信を保証できるCANが選択されるケースが多い。これらの産業応用では安全性や拡張性も求められるが、CANは堅牢なエラーハンドリング機構を提供しているため、故障時の切り分けやシステムの継続運用を容易にする利点を有しているといえる。