CAN 물리 계층

1. CAN_H와 CAN_L — 차동 신호

CAN은 두 개의 선(CAN_H, CAN_L)으로 신호를 전달한다. 이 방식을 차동 신호(Differential Signal)라고 한다.

왜 두 선이 필요한가

한 선만 쓰면(단선 신호) 외부 노이즈가 신호에 직접 더해진다. 그런데 두 선을 쓰면 노이즈가 두 선에 같은 크기로 더해진다. 수신 측은 두 선의 전압 차이만 보기 때문에, 두 선에 동일하게 더해진 노이즈는 자동으로 상쇄된다.

노이즈 발생 시:
  CAN_H: 3.5V + 0.3V(노이즈) = 3.8V
  CAN_L: 1.5V + 0.3V(노이즈) = 1.8V
  전압 차: 3.8 - 1.8 = 2.0V  ← 노이즈가 상쇄되어 원래 신호 유지

모터, 점화 플러그 등 노이즈가 많은 농기계 환경에서 CAN이 선택된 핵심 이유이다.

전압 레벨

전압(V)
 3.5 ─ ─ ─ ┌────┐    ┌────┐   CAN_H
 2.5 ───────┘    └────┘    └────
            │                    
 2.5 ───────┐    ┌────┐    ┌────  CAN_L
 1.5 ─ ─ ─ └────┘    └────┘   

          [Dominant][Rec][Dominant][Rec]
          [  bit 0 ][ 1 ][  bit 0 ][ 1 ]

2. Dominant vs Recessive — Wired-AND 동작

상태 정의

• Dominant (우세, 비트 0): CAN_H=3.5V, CAN_L=1.5V, 전압 차 2V
• Recessive (열세, 비트 1): CAN_H=CAN_L=2.5V, 전압 차 0V

Wired-AND란

버스에 연결된 노드 중 단 하나라도 Dominant(0)를 보내면, 버스 전체가 Dominant가 된다. 모든 노드가 Recessive(1)를 보낼 때만 버스가 Recessive 상태가 된다.

논리식으로: 버스 상태 = 노드A AND 노드B AND 노드C AND ...
(0이 "강한" 값이므로, 하나라도 0이면 결과는 0)

이것이 중재(Arbitration) 메커니즘의 기반이다.

flowchart TD
    A["노드A가 비트 전송"] --> C{버스 읽기}
    B["노드B가 비트 전송"] --> C
    C -->|내가 보낸 값 = 버스 값| D[계속 전송]
    C -->|내가 Recessive 보냈는데<br>버스는 Dominant| E[중재 패배<br>전송 중단 후 재시도]

물리적으로 이해하기

Dominant와 Recessive의 차이는 전류를 흘리느냐 안 흘리느냐의 차이이다.

아무도 전류를 흘리지 않으면 버스는 자연히 Recessive(2.5V) 상태이다. 그래서 하나라도 전류를 흘리면(Dominant), 나머지가 아무것도 안 해도 버스는 Dominant가 된다. 별도의 AND 게이트 칩 없이 전선(Wire) 자체의 물리적 특성으로 AND 동작이 구현되기 때문에 "Wired-AND"라 부른다.

줄다리기 비유

두 팀이 줄다리기를 한다고 생각해봅시다. 각 라운드마다 "당기기(0)" 또는 "쉬기(1)"를 선택한다.

• 한쪽이라도 당기면 줄은 그쪽으로 감 (Dominant 승리)
• 둘 다 쉬어야 줄이 가운데에 유지 (Recessive)

라운드 1: 팀A=당김(0), 팀B=당김(0) → 같음 → 아직 승부 안 남
라운드 2: 팀A=당김(0), 팀B=당김(0) → 같음 → 계속
라운드 3: 팀A=당김(0), 팀B=쉼(1)  → 팀A가 줄을 당김!
  팀B: "나는 쉬었는데 줄이 움직였네" → 내가 졌다 → 포기
  팀A: 아무 일 없었다는 듯 계속 진행

팀B가 포기한 뒤, 팀A 혼자서 나머지 데이터를 전부 보낸다. 팀A의 메시지는 처음부터 끝까지 손상 없이 전달된다.

왜 ID가 작을수록 우선순위가 높은가

ID는 MSB(최상위 비트)부터 한 비트씩 버스에 전송된다. 두 노드가 동시에 전송을 시작하면 ID를 비트 단위로 비교해 나간다.

예시: ID=0x001 vs ID=0x100 (11비트)

비트 위치:  10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0

ID=0x100:   0  0  1  0  0  0  0  0  0  0  0
ID=0x001:   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  1
                   ↑
              비트 8에서 갈림

sequenceDiagram
    participant A as ID=0x100
    participant Bus as CAN 버스
    participant B as ID=0x001

    Note over A,B: 비트 10: 둘 다 0 → 버스=0 → 동점
    Note over A,B: 비트 9: 둘 다 0 → 버스=0 → 동점

    A->>Bus: 비트 8 = 1 (Recessive, 전류 안 흘림)
    B->>Bus: 비트 8 = 0 (Dominant, 전류 흘림)
    Note over Bus: 버스 = 0 (Dominant)

    Bus-->>A: 버스 읽기: 0 → 내가 1을 보냈는데 0이네 → 패배!
    Bus-->>B: 버스 읽기: 0 → 내가 0을 보냈고 0이니 정상 → 계속 전송

    Note over A: 즉시 전송 중단, 버스 빌 때까지 대기
    Note over B: 나머지 프레임 전송 완료

ID가 작으면 상위 비트에 0(Dominant)이 더 많다. 0은 1을 항상 이기므로, 상대가 1을 보내는 순간 내가 덮어쓰고 승리한다.

ID=0x001: 00000000001  ← 앞에 0이 10개 → 거의 무적
ID=0x100: 00100000000  ← 비트 8에서 이미 1이 나옴 → 일찍 탈락
ID=0x7FF: 11111111111  ← 전부 1 → 누구에게나 짐

이것이 브레이크, 조향 같은 안전 메시지에 낮은 ID를 배정하는 이유이다. 버스가 아무리 바빠도 이 메시지가 항상 가장 먼저 전달된다.

이러한 파형이 정상적으로 나타나려면, 버스 자체가 올바른 물리적 구조로 연결되어 있어야 한다. CAN 버스의 배선 방식을 살펴봅시다.

3. 파형으로 보는 CAN 신호

오실로스코프로 CAN 버스를 측정하면 CAN_H와 CAN_L이 서로 반전된 형태로 움직이는 것을 볼 수 있다.

이상적인 파형:

CAN_H ──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──
         └──┘  └──┘  └──┘  
CAN_L ──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──  ← 반전 (CAN_H와 대칭)
         └──┘  └──┘  └──┘  
Diff  ──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──  ← 차동 전압 (CAN_H - CAN_L)
     0V ┘  └  ┘  └  ┘  └  

실제 파형에서 보이는 현상:

오실로스코프 없이 멀티미터로도 기본 점검이 가능한다. 버스가 유휴 상태일 때 CAN_H와 CAN_L 모두 약 2.5V이어야 한다.

이러한 파형이 정상적으로 나타나려면, 버스 자체가 올바른 물리적 구조로 연결되어 있어야 한다. CAN 버스의 배선 방식을 살펴봅시다.

4. 버스 토폴로지

CAN은 선형 버스(Linear Bus) 구조를 사용한다. 하나의 주선(Backbone)에 각 노드가 짧은 분기선(Stub)으로 연결된다.

graph LR
    RT1["종단저항<br>120Ω"] --- MAIN

    subgraph MAIN["주선 (Backbone)"]
        direction LR
        P1[ ] --- P2[ ] --- P3[ ] --- P4[ ] --- P5[ ]
    end

    MAIN --- RT2["종단저항<br>120Ω"]

    P1 -- "스텁<br>≤0.3m" --> N1["ECU A<br>엔진"]
    P2 -- "스텁<br>≤0.3m" --> N2["ECU B<br>변속기"]
    P3 -- "스텁<br>≤0.3m" --> N3["ECU C<br>계기판"]
    P4 -- "스텁<br>≤0.3m" --> N4["ECU D<br>ABS"]
    P5 -- "스텁<br>≤0.3m" --> N5["ECU E<br>작업기"]

    style RT1 fill:#f9a,stroke:#c55
    style RT2 fill:#f9a,stroke:#c55

스텁(Stub) 길이 제한:

• 스텁이 길면 신호 반사가 발생한다.
• 1 Mbps에서는 스텁 0.3m 이하 권장 (속도가 낮을수록 허용 스텁 길이가 늘어남).
• ISOBUS(250 kbps)에서는 최대 스텁 길이 1m.

최대 노드 수:

• CAN 사양 상 이론적 최대 노드 수는 제한이 없으나, 실제로는 버스 전기적 특성으로 약 110개 노드가 한계이다.
• ISOBUS 구현에서는 실용적으로 30개 이하를 권장한다.

5. 종단 저항 (120Ω)

왜 필요한가

전선은 일종의 전송 선로이다. 신호가 선로 끝에 도달하면 "반사"가 일어난다. 반사된 신호가 되돌아오면 원래 신호를 왜곡시킨다.

종단 저항(Termination Resistor)은 버스 양 끝에 달아 신호를 흡수해 반사를 막다. 저항값이 선로 특성 임피던스(120Ω)와 같아야 한다.

graph LR
    RT1["120Ω"] ---|CAN_H| STUB1["노드들"]
    RT1 ---       |CAN_L| STUB1
    STUB1 ---     |CAN_H| RT2["120Ω"]
    STUB1 ---     |CAN_L| RT2

    Note1["양 끝 120Ω 병렬<br>= 합성 저항 60Ω"]

    style RT1 fill:#f9a,stroke:#c55
    style RT2 fill:#f9a,stroke:#c55

두 종단 저항이 병렬 연결되므로 버스 전체 임피던스는 60Ω이다. 이 값이 맞지 않으면 파형이 불안정해진다.

멀티미터로 종단 저항 확인하는 방법:

1. 버스의 전원을 끈다.
2. CAN_H와 CAN_L 사이의 저항을 측정한다.
3. 정상: 약 60Ω
   종단저항 1개 없음: 약 120Ω
   종단저항 모두 없음: 무한대(∞)
   단선: 무한대(∞)
   CAN_H/CAN_L 단락: 0Ω

# 종단 저항 측정값 해석 예시 (진단 스크립트)
def interpret_termination_resistance(ohm):
    if ohm < 10:
        return "ERROR: CAN_H/CAN_L 단락 (Short circuit)"
    elif 50 <= ohm <= 70:
        return "OK: 정상 (양쪽 120Ω 종단저항 장착됨)"
    elif 110 <= ohm <= 130:
        return "WARNING: 종단저항 1개만 장착됨"
    elif ohm > 1000:
        return "ERROR: 종단저항 없음 또는 단선"
    else:
        return f"WARNING: 비정상 저항값 {ohm}Ω — 배선 점검 필요"

print(interpret_termination_resistance(60))   # OK
print(interpret_termination_resistance(120))  # WARNING
print(interpret_termination_resistance(9999)) # ERROR

종단 저항이 올바르게 설치된 버스에서, 실제로 얼마나 빠르게, 얼마나 먼 거리까지 통신할 수 있을까요? 속도와 거리 사이에는 중요한 트레이드오프가 있다.

6. 통신 속도와 버스 길이

CAN에서 속도와 거리는 반비례 관계이다. 속도가 빠를수록 비트 하나의 시간이 짧아지는데, 버스가 길면 신호가 양 끝을 왕복하는 시간(전파 지연)이 비트 시간을 초과해 버린다.

ISOBUS는 250 kbps를 표준으로 사용한다. 트랙터 + 작업기의 연결 거리를 고려해도 충분한 속도와 거리를 제공한다.

xychart-beta
    title "비트레이트와 최대 버스 길이"
    x-axis ["1 Mbps", "500 kbps", "250 kbps", "125 kbps", "50 kbps"]
    y-axis "최대 버스 길이 (m)" 0 --> 1100
    bar [25, 100, 250, 500, 1000]

/* CAN 비트 타이밍 설정 예시 (250 kbps, 16 MHz 클럭) */
/* Bit time = 1 / 250,000 = 4 µs */
/* TQ(Time Quantum) 단위로 비트 시간을 분할 */

typedef struct {
    uint8_t brp;   /* Baud Rate Prescaler */
    uint8_t tseg1; /* Time Segment 1 */
    uint8_t tseg2; /* Time Segment 2 */
    uint8_t sjw;   /* Synchronization Jump Width */
} CAN_BitTiming;

/* 250 kbps @ 16 MHz: BRP=4, TSEG1=11, TSEG2=4, SJW=1 */
/* Bit time = (1 + TSEG1 + TSEG2) * TQ = 16 TQ          */
/* TQ = BRP / f_clk = 4 / 16MHz = 0.25 µs               */
/* Bit time = 16 * 0.25 µs = 4 µs → 250 kbps            */
CAN_BitTiming timing_250k = {
    .brp   = 4,
    .tseg1 = 11,
    .tseg2 = 4,
    .sjw   = 1
};

속도와 거리가 정해지면, 마지막으로 물리적인 연결 방법을 알아야 한다. CAN 장비를 실제로 연결할 때 사용하는 커넥터와 핀 배치를 살펴봅시다.

7. 커넥터와 핀아웃

DB9 커넥터 (ISO 11898 권장)

CAN 디버깅 장비나 PC 인터페이스에서 가장 많이 쓰이는 9핀 D-Sub 커넥터이다.

DB9 Female (장비 측)
 ┌─────────────────────┐
 │  ○   ○   ○   ○   ○  │  ← 핀 1~5
 │    ○   ○   ○   ○    │  ← 핀 6~9
 └─────────────────────┘

핀 번호 → 신호:
  Pin 1: 없음 (NC)
  Pin 2: CAN_L  ← 통신
  Pin 3: GND    ← 접지
  Pin 4: 없음 (NC)
  Pin 5: CAN_SHLD (선택적, 차폐 연결)
  Pin 6: GND    ← 접지 (선택적)
  Pin 7: CAN_H  ← 통신
  Pin 8: 없음 (NC)
  Pin 9: CAN_V+ (선택적, 전원 공급)

핵심 핀 요약:

ISOBUS / 농기계 진단 커넥터

트랙터와 작업기 연결에는 AMP Deutsch DT 시리즈 방수 커넥터가 많이 사용된다. 진단 목적으로는 9핀 Deutsch 커넥터가 표준이다.

graph TB
    subgraph 농기계_커넥터_핀_배치
        direction TB
        P1["1: Battery(+12V)"]
        P2["2: Ignition(+12V)"]
        P3["3: GND"]
        P4["4: ECU_GND"]
        P5["5: CAN_H (ISOBUS)"]
        P6["6: CAN_L (ISOBUS)"]
        P7["7: LIN Bus"]
        P8["8: Reserved"]
        P9["9: CAN_H (진단 전용)"]
    end

실제 농기계 커넥터 배치는 제조사마다 다를 수 있으므로, 항상 해당 기종의 전기 회로도를 참고해야 한다.

현장에서 CAN 신호 확인 방법:

/* CAN 메시지 수신 및 출력 예시 (의사코드 / 임베디드 C) */
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

typedef struct {
    uint32_t id;
    uint8_t  dlc;       /* Data Length Code: 0~8 */
    uint8_t  data[8];
} CAN_Message;

void on_can_receive(CAN_Message *msg) {
    printf("ID: 0x%08X  DLC: %d  Data:", msg->id, msg->dlc);
    for (int i = 0; i < msg->dlc; i++) {
        printf(" %02X", msg->data[i]);
    }
    printf("\n");
}

/* 출력 예시:
   ID: 0x0CF004B4  DLC: 8  Data: F0 00 FF 00 00 00 00 FF
   → ISOBUS J1939 EEC1 (엔진 전자 제어 #1) 메시지
*/

다음 챕터

• 다음 : CAN 데이터 프레임