技術コラム

CANとは「Controller Area Network」の略で、1986年にドイツのボッシュ社によって仕様が公開され、後に国際標準化された通信プロトコルです。ほぼすべての自動車で採用されており、現在では鉄道、船舶、航空などの物流システムに加え、産業機器や医療機器など広範囲にわたって利用されています。

CAN自体は40年近い歴史があり、その間に内容は進化してきました。現在では単に「CAN」と言う場合、1991年から規格が整理・拡張され続けている「CAN 2.0」の中で、特に「高速CAN」を指すことが一般的です。本コラムでも「CAN」と記載した場合は「高速CAN」を指すこととします。

CAN仕様概要

項目	CAN(CAN 2.0)
	高速CAN	低速CAN
データリンク層	ISO 11898-1
物理層	ISO 11898-2	ISO 11519(ISO 11898-3)
通信速度	125kbps～1Mbps	10kbps～125kbps
最大データ長	8Byte
最大バス長	40m(1Mbpsの場合)	1km(40kbpsの場合)
最大接続ノード数	30台	20台

また、2012年にはCANと互換性のある「CAN FD（CAN with Flexible Data rate）」が公開され、従来のCANに比べて高速で大容量の通信が可能になりました。例えば、CANの場合は「通信の調停を行うアービトレーションフェーズ」と「データ送信を行うデータフェーズ」が同一の通信速度ですが、CAN FDの場合は異なるビットレートを設定できます。また、CAN FDではデータフェーズにおいて、最大5Mbpsの通信速度が規定されています。

CANとCAN FDの対比表

項目	CAN	CAN FD
データリンク層	ISO 11898-1	ISO 11898-1:2015
物理層	ISO 11898-2	ISO 11898-2:2016
通信速度	125kbps～1Mbps	1Mbps以上 (規格上はデータフェーズが5Mbpsまで)
データ長	0～8Byte	0～8, 12, 16, 20, 24, 32, 48, 64Byte

CANの特徴を3つ記載します。

① 省配線のライン型ネットワーク

② ノイズに耐性のある2線式差動信号

③ マルチマスター（CSMA/CR方式による送信データ優先度）

当社のCPUボードの多くは、CANトランシーバアダプタ「PC-CAN-01/02」「PC-CAN-03」を使用することで簡単にCAN搭載機器と通信することができるようになっています。

PC-CAN-02/03対応^※CPUボード一覧（Webページより一部を抜粋）

CPUボードシリーズ	CPU	CPUボード
RZシリーズ	RZ/A1H	AP-RZA-0A
	RZ/A3UL	AP-RZA3-0A
	RZ/T2M	AP-RZT2-0A
	RZ/G1E-PF	AP-RZG-0A
RXシリーズ	RX651	AP-RX651-0A
	RX71M	AP-RX71M-0A
	RX72M	AP-RX72M-0A
	RX72T	AP-RX72T-0A
RAシリーズ	RA6M3	AP-RA6M-0A
	RA6M5	AP-RA6M-1A
	RA8M1	AP-RA8M-0A
	RA8D1	AP-RA8D-0A

• ※PC-CAN-01はCPUボードからの電源供給が5Vである場合に使用してください

当社では、各CPUボードの通信インタフェースのサンプルプログラムを公開しており、CANの機能確認が行えるサンプルも用意しています。ユーザーはハードウェアの準備を整えればすぐにCAN通信を体験することができます。

本コラムでは、USB-CAN変換アダプタを利用して、PCとRA8D1搭載のCPUボード「AP-RA8D-0A」を接続し、CAN通信のサンプルプログラムを動作させて、CAN通信の内容をモニタリングしてみます。

サンプルプログラムは以下のような動作をします:

1. 1. 外部から送信されたすべてのフレームを、IDに関係なく受信します。
2. 2. 受信したフレームをそのままエコーバック（再送信）します。

つまり、CPUボードがCAN通信を行う様子を観察するためには、まずCANalyzerを使用してフレームを送信することが必要です。
通信を行う前に、CANalyzerの通信設定をCPUボードのサンプルプログラムと同じ設定にしておく必要があります。

サンプルプログラムのCAN通信設定

項目	設定値
IDフォーマット	スタンダードフォーマット
通信(フレーム)種類	データフレーム
データ長	8Byte
通信速度	500kbps

上記の準備が完了した状態で、実際に通信をした際のCANH・CANLの信号波形をオシロスコープで測定してみました。

CANのデータフレームの構成は以下となっています。

SOF	ID	RTR	IDE	FDF	DLC	Data	CRC	CRC デリミタ	ACK スロット	ACK デリミタ	EOF	ITM
bit	11bit	1bit	1bit	1bit	4bit	0～64bit (0～8Byte)	1bit	1bit	1bit	1bit	7bit	3bit

先頭の数ビットに注目して見てみると、レセシブが続いている状態からドミナントに変化するタイミングがCAN通信の開始を示すSOF（1bit）となります。
その後の11bitは送信先IDを指し示し、値（0x555=0b10101010101）通り、0と1を1bitずつ小刻みに変化する波形が正しく表れていることが分かります。

さらに波形を読み進めていくと、フレームで送信したペイロードデータ（0x01, 0x02, 0x03, …）も表れてくるのですが、ビットスタッフィングと呼ばれる同期用ルールによって素直に読み解くことはできません。
データフレーム構成の各要素や「ビットスタッフィングルール」については皆さんでお調べいただき、残るデータをぜひ読み解いてみてください。