車載ネットワーク（1）変遷

自動車の基本的な機能(走る・曲がる・止まるなど)は、機械や油圧などの機能ごとの比較的単純な制御だった。アクセルペダルを踏めば加速し、ブレーキペダルを踏めば車が止まる。排ガス規制やエンジン高性能化の要求が強くなり、エンジンは機械制御のキャブレターから燃料噴射に変わった。必然的に燃料噴射を制御する ECU( Electronic Control Unit)が登場する。初期のエンジン制御 ECU は、アクセルと1対1で対応すればよく、ブレーキ制御、ハンドル制御や様々なセンサー類との連動は必要ではなかった。

自動車制御の安全性や高機能化要求の更なる高まりにより、ブレーキやステアリング制御にも ECU が導入された。また、快適な運転を実現するために、パワーウィンドウ、ドアミラーや車内インフォテイメントシステムにも順次 ECU が持ち込まれた。しかし、車両システムは、走る・曲がる・止まるなどの多くの制御システムが相互に複雑に作用しあっている。かつての、アクセル→エンジン ECU →燃料噴射装置 →エンジンという1対1の関係では制御できなくなり、ECU 間の相互接続が必要になった。

全ての ECU を独自のインタフェースで相互接続するためには、メッシュ構造で接続する必要があるが、コネクタとケーブルが増えすぎコストと重量が増える。コストを抑え、コネクタとケーブルを削減するため「車載ネットワーク」が考案され普及した。

初期の車載ネットワークは、自動車メーカごとに独自に開発されたため、開発・テストや保守に至るまで費用がかさむ課題を抱えていた(表1)。車両メーカが抱えるこれらの課題を解決し、部品の共通化を実現する規格化された車載ネットワークが登場する。代表的な車載ネットワークとして、1983年にBosch社が開発した CAN と1999年に LIN コンソーシアムが発表した LIN がある。現在でも、CAN と LIN は車載ネットワークの主役として広く使われている。

2012年に始まった Ethernet TSN は、当初から車載ネットワークを念頭に開発が進み、2019年に仕様がほぼ固まった。2020年になり、10G から 10M までの物理層規格が発表され、2024年を目途に仕様の強化が進んでいる。

車載ネットワークの要件

車載通信機器は、一般的な通信機器と比較し、最新・最高性能を求められることは少ないが、信頼性や製品寿命の要求が厳しい。車載ネットワークは、ケーブルに求められる要件も厳しい。特に重量増は、車の性能に直結するため、軽量化は重要なテーマだ(表2)。自動車の環境要件に対応するため、半導体の環境規格も一般とは異なる(表3)。

半導体と並び、車載ネットワークの重要部品の一つが発振子だ。発振子には様々な種類がある。RC発振子、半導体に埋め込んだシリコン発振子、セラミック発振子や水晶発振子がある。表4 は主な車載ネットワークの発振子の精度だが、いずれも比較的精度の低い発振子が使用できる。Ethernet TSN は標準イーサネットと同じ精度、CAN は関連する他の規格との関係もあり注意が必要で、一般的には ±0.1% ~ ±0.5% 程度のようだ。

図1 に示すように、CAN と LIN の発振子はかなり広い範囲から選択できるが、Ethernet TSN は水晶振動子を選択することになる。一般的なコストは、水晶振動子＞セラミック振動子＞RC発振＞シリコン振動子の順だ。シリコン振動子は半導体に組み込むため、追加コストが発生しない。

エンジンやブレーキ制御は、明らかに「ハード・リアルタイム」の領域だ。現状の車載ネットワークでは、この領域は CAN の独壇場だ。ドアミラーやヘッドライト等は、対象ごとに優先順位があり、少しの遅れは許されるが確実な動作は必要だ。ここは「ソフト・リアルタイム」の領域で、CAN と LIN が住み分けている。LIN の仕組みは「ハード・リアルタイム」に対応できるが、通信網の信頼性が低くエラーが発生する可能性が高い。かなりの頻度でリトライが発生し、処理遅れが発生する。

産業用ネットワークに最適なトポロジは「Ring」だ。配線のシンプルさと障害に強い冗長性が特徴だ。40年前に作られた CAN や20年以上前に CAN を意識して作られた LIN は「Bus」構造を採用した。当時は、RS485 等のシリアルバスが主流で、Ring 構造の Token Ring やFDDI はまだ登場していない。当時の技術を考えれば妥当な選択だが、現在の技術レベルを考えると、車載ネットワークは今後 Ring トポロジに移行する可能性がある。