CAN 버스 전기적 특성 — Differential·Termination·Dominant/Recessive

#한 줄 요약

“CAN은 두 선 차동 multi-master 버스로, 자동차의 표준 신경계입니다.” 120Ω 종단과 dominant/recessive 비대칭이 핵심입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

• 자동차 ECU 간 통신
• 산업용 자동화(CANopen, DeviceNet)
• 의료 장비, 농기계
• 보드 간 강한 노이즈 환경의 신뢰성 통신

#핵심 개념

#1) 차동 신호 — CAN_H / CAN_L

두 라인의 차이가 신호입니다. common-mode 노이즈가 두 라인에 똑같이 들어오면 차이는 그대로 유지되므로, 외부 노이즈에 강합니다.

#2) Dominant / Recessive — Wired-AND

CAN은 wired-AND입니다. 모든 노드가 recessive를 보낼 때만 line이 recessive가 됩니다. 한 노드라도 dominant를 보내면 line이 dominant가 됩니다.

이 특성으로 multi-master arbitration을 합니다. 두 노드가 동시에 송신을 시작해도, ID가 낮은(우선순위 높은) 노드의 dominant 비트가 이깁니다. 진 쪽은 자동으로 송신을 중단합니다.

#3) Bus topology와 120Ω 종단

양 끝에 120Ω을 답니다. 중간 노드는 종단을 하면 안 됩니다. drop 길이(분기)는 가능한 짧게(< 30 cm) 유지합니다.

종단이 잘못되면 reflection으로 비트가 깨집니다. 양 끝 둘 다 종단해야 합니다.

#4) Bit timing — Sample point

CAN은 한 비트를 여러 time quanta(TQ)로 나누고, 그 중 일부 지점에서 sampling 합니다.

Sample point가 너무 빠르면 ringing이 끝나기 전에 sampling, 너무 늦으면 다음 비트 영향. 표준은 75 ~ 87.5%입니다.

#5) CAN-FD — 최대 8 Mbit/s

Classic CAN은 1 Mbit/s, 최대 8 byte/payload입니다. CAN-FD는 data phase 속도를 따로(보통 2 ~ 5 Mbit/s) 올리고 payload를 64 byte까지 확장합니다.

1
Arbitration phase (1 Mbit/s) | Data phase (2~5 Mbit/s) | EOF

Arbitration은 multi-master를 위해 느리게 유지하고, data만 빠르게 보냅니다.

#코드 / 실제 사용 예

STM32 bxCAN 초기화입니다.

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// CAN1 — 500 kbit/s, 87.5% sample point
2
// APB1 = 42 MHz, TQ = 42 MHz / prescaler / (1 + tseg1 + tseg2)
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CAN1->MCR = CAN_MCR_INRQ;            // init mode
5
while (!(CAN1->MSR & CAN_MSR_INAK));
6

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// 500 kbit/s = 42M / 6 / (1 + 13 + 2) = 437.5k → 6 → 7
8
// 정확: 42M / 6 / 14 = 500k
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CAN1->BTR = (5 << 0)                  // prescaler = 6
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          | (12 << 16)                // TSEG1 = 13
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          | (1 << 20);                // TSEG2 = 2
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13
CAN1->MCR &= ~CAN_MCR_INRQ;
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while (CAN1->MSR & CAN_MSR_INAK);
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16
// Filter — accept all
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CAN1->FMR  |= CAN_FMR_FINIT;
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CAN1->FA1R |= 1;
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CAN1->FS1R |= 1;                      // 32-bit scale
20
CAN1->sFilterRegister[0].FR1 = 0;
21
CAN1->sFilterRegister[0].FR2 = 0;
22
CAN1->FMR  &= ~CAN_FMR_FINIT;
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24
// Transmit
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void can_send(uint32_t id, uint8_t *data, uint8_t len) {
26
    int mb = 0;
27
    while (!(CAN1->TSR & (CAN_TSR_TME0 << mb)));
28
    CAN1->sTxMailBox[mb].TIR  = (id << 21);
29
    CAN1->sTxMailBox[mb].TDTR = len;
30
    CAN1->sTxMailBox[mb].TDLR = *(uint32_t *)data;
31
    CAN1->sTxMailBox[mb].TDHR = *(uint32_t *)(data + 4);
32
    CAN1->sTxMailBox[mb].TIR |= CAN_TI0R_TXRQ;
33
}

CAN transceiver(예: TJA1050, MCP2562)가 별도로 필요합니다. MCU는 TX/RX를 CMOS로 내고, transceiver가 차동 신호로 변환합니다.

#측정 / 비교

#자주 보는 함정

⚠️ 종단 잘못

한쪽만 종단하거나 중간 노드를 종단하면 reflection으로 sporadic 에러가 발생합니다. 양 끝 120Ω 표준.

⚠️ Stub 길이 과다

bus에서 30 cm 이상 분기하면 reflection이 들어옵니다. node를 bus에 가깝게 배치합니다.

⚠️ Transceiver 누락

CAN 컨트롤러만으로는 신호가 안 나옵니다. transceiver IC가 있어야 합니다. 종종 모듈 외부에 transceiver가 있고 cable 끝에 종단이 있는지 확인합니다.

⚠️ Bit timing 부정확

sample point 계산을 잘못해 ringing 도중 sampling하면 random error가 발생합니다. CAN bus analyzer로 확인합니다.

⚠️ 공통 GND 누락

차동 신호이지만 common-mode 전압 범위는 -2 ~ +7 V로 제한됩니다. ground reference가 없으면 노드 간 전위차로 transceiver가 죽을 수 있습니다.

#정리

• CAN은 차동 wired-AND 버스로 multi-master arbitration이 가능합니다.
• 양 끝 120Ω 종단이 필수입니다. 중간 노드는 종단 금지.
• Sample point는 75 ~ 87.5% 표준. 잘못 설정하면 sporadic 에러 발생.
• CAN-FD로 arbitration은 1 Mbit, data는 5 Mbit까지 확장 가능합니다.
• Transceiver와 공통 GND 없이는 동작하지 않습니다.

다음 편에서는 RS-485 / RS-422 차동 신호를 다룹니다. 산업 현장의 다른 차동 표준입니다.

#관련 항목

• 1-09: PWM 신호 생성
• 1-11: RS-485 / RS-422 차동 신호
• 1-12: LVDS / 차동 신호 일반
• 더 깊이 — Practical RTOS Internals: 통신 ISR 패턴