車載・小型軽量・多チャンネルセントラルゲートウェイユニット

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あつみねながだき
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自動車車載小型軽量多チャンネルユニット On-vehicle Compact and Lightweight Multi-channel Central Gateway Unit 宮下 * 之宏安川博黒崎郁之助 Yukihiro Miyashita Hiroshi Yasukawa Ikunosuke Kurosaki 松尾智貴堀端啓史小林直人 Tomoki Matsuo

1 自動車車載小型軽量多チャンネルユニット On-vehicle Compact and Lightweight Multi-channel Central Gateway Unit 宮下 * 之宏安川博黒崎郁之助 Yukihiro Miyashita Hiroshi Yasukawa Ikunosuke Kurosaki 松尾智貴堀端啓史小林直人 Tomoki Matsuo Satoshi Horihata Naoto Kobayashi 自動車の電子制御化が進むにつれ車載制御ユニット (:Electric Control Unit) が増加し複数のネットワークを接続して車載 LAN (Local Area Network) を構成することが必要となっているこれまでは2 系統のネットワークを接続する2チャンネルゲートウェイを使って多段のネットワークを形成してきたため車両の通信設計が複雑になっていた今回車載 LANプロトコルの一つである (Controller Area Network) 通信のインタフェースを6チャンネル持ち各チャンネル間の通信データを中継できるを開発したこれにより車載 LANをシステム別に分けシステム間の独立性を高めることができるため多くのを接続する場合も通信設計をシンプルにできるは車載 LANの核となるであるため住友電気工業がワイヤハーネス J/B(Junction Box) と合わせて車載インフラ全体のシステム提案を行っていくうえで重要な製品となる With the rising number of electronically controlled devices used in vehicles, the demand for s (electronic control units) has been increased, and it is now required to configure an in-vehicle LAN (local area network) that connects multiple networks. In the past, multistage networks were formed using a two-channel gateway that connected two different networks, making vehicle communication design complicated. We developed a central gateway that is equipped with six network interfaces to relay communication data between channels. This central gateway secures the independence of respective systems, resulting in a simple communication design even with many s being connected. The central gateway, the main for the in-vehicle LAN, allows Sumitomo Electric Industries, Ltd. to offer vehicle infrastructure systems in combination with wiring harnesses and junction boxes. キーワード : 車載 LAN (Controller Area Network) 1. 緒言自動車の電子制御化が進むにつれ多数のが車載 LANに接続され互いに通信することで車両制御を行っている車載 LANでは (1) と呼ばれる通信プロトコルが使われているのネットワークトポロジーはバス型であり 1つのバス ( 通信線 ) に接続できる数は通信信号の反射の影響などにより最大で16 個程度という制約がある最近の自動車では70 個以上のが搭載されている車種もあるがこの制約のため複数のバスを搭載する必要があるこれまではの増加に伴い 2つのバス間で通信データを中継する2チャンネルゲートウェイ( ) を使ってネットワークを増設してきた本稿ではこのようなネットワークを機能アドオン型ネットワークと呼ぶ ( 図 1) 最大 16/ バス図 1 機能アドオン型ネットワーク機能の増加に伴いを増設 2. 機能アドオン型からシステム別 LAN への移行 2-1 機能アドオン型ネットワークにおける課題プロトコルはCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 方式であり時間スケジューリングをしないため送信がメッセージを送信してから受信が受信するまでの時間は同一バスに接続 2016 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 189 号 15

2 されている他の送信メッセージの影響を受ける例えば図 2のような機能アドオン型ネットワークでは 1が送信したメッセージを6が受信するまでに3 個のを経由し各バス毎に他の送信メッセージの影響を受けるそのため車両全体で各間の通信遅延時間の要件 ( メッセージごとに異なるが短いものでは数ミリ秒 ) を満たすようにネットワークを設計するのは非常に困難であるまた機能アドオン型ネットワークではを新規追加したり既存ののメッセージ送信条件が変わると他の間の通信遅延時間にも影響を及ぼすためネットワーク全体の設計を見直す必要がある ( 図 3) どのシステム別 LANを構成することが考えられるシステム別 LANでは数が増加してもバス間の中継は最大 1 段なので各間の通信遅延時間は2バス間の通信で設計すればよく機能アドオン型ネットワークの課題 (1) を解決できるまたの新規追加や既存のメッセージ送信条件変更時の影響も新規メッセージや変更メッセージが送信されるバスと中継先バス間の通信で考えればよいため機能アドオン型ネットワーク課題 (2) のようなネットワーク全体設計を見直す必要はなくなる 2 3 2,3 の影響を受ける ,5 の影響を受ける 6 通信遅延時間の要件を満たす設計が困難図 2 機能アドオン型ネットワークでの課題 (1) の追加変更が全ての通信遅延時間に影響する 6 図 3 機能アドオン型ネットワークでの課題 (2) 2-2 による課題解決これらの課題を解決する方法として図 4のような複数の通信チャンネルを持つ ( 以降単にセントラルと記述する場合もある ) を導入し制御ボディ安全情報なセントラル 2-3 カーメーカー各社の動向制御系ボディ系安全系情報系図 4 セントラルによるシステム別 LAN の構成およびシステム別 LAN の導入は欧州カーメーカーが先行していたが電子制御化の進展に伴う数の増加により日本米国など欧州以外のカーメーカーでもおよびシステム別 LANの導入が進んでいる 3. の開発カーメーカーや車種によりへの要求は異なるが全て個別に開発するのは効率が悪いそこでカーメーカーや車種間の仕様差を吸収しやすい設計としまた小型軽量で車両に搭載しやすいことを目標としてを6チャンネル持つの開発を行った本章では開発したの機能特徴について記す 3-1 中継機能の主機能はバス間でメッセージを中継することであり代表的なものとして 1 逐次中継 2 周期変換中継 3データ組替中継の3 種類の中継機能を持つ 16 車載小型軽量多チャンネルユニット

3 1 逐次中継車載 LANの通信ではエンジン回転数など絶えず変化するデータを数十ミリから数百ミリ秒の間隔で周期的に送信することが多いまた通信量を減らすために1つのメッセージにエンジン回転数と吸気温度など複数のデータを格納する逐次中継では受信したメッセージの周期もデータの内容も変えず受信後ただちに中継先のバスに送信する ( 図 5) このとき1つのメッセージを複数のバスに送信することも可能であるその場合図 7のようにがデータを組み替えて中継することで中継先バスのメッセージ数を減らせるため中継先バスのバス負荷及び受信の処理負荷を軽減することができる車載 LANではメッセージ内のデータのことをシグナルとも呼ぶのでこの機能をシグナル中継と呼ぶこともあるテータ A テータ D 周期データ内容の変換なしテータ D テータ E 図 5 逐次中継図 7 データ組替中継 2 周期変換中継メッセージによっては中継元では短い周期でのデータ更新が必要であるが中継先では更新周期が長くてもよいものがある中継先ではデータ更新が長くてよいメッセージの送信周期を長くすると中継先のバス負荷が低くなるため間の通信遅延時間を小さくできるメリットがあるこれに対応できるようは図 6 のように中継時に周期変換を行う機能を持つ 3-2 通信遅延時間とバッファ構造メッセージはそれぞれIDを持っており同じバス内で送信タイミングが重なった場合 IDの小さいメッセージが優先して送信される ( 図 8) これはプロトコルの仕様でありこの仕組みをアービトレーション ( 調停 ) と呼ぶ周期 :100 ミリ秒 (2 回に 1 回中継 ) ID=20 ID=10 ID=30 アーヒトレーションに勝ち送信される図 8 のアービトレーション図 6 周期変換中継 3データ組替中継前述のように1つのメッセージには複数のデータが格納されているが中継先のは1つのメッセージに含まれるデータを全て必要としていないことがあるメッセージはそれぞれ許容される通信遅延時間が異なるが一般に許容される通信遅延時間が短いメッセージの優先度は高く設定されるでメッセージを中継する場合受信したメッセージをいったん中継用バッファに保存するがバッファの構造によっては優先度の低いメッセージがアービトレーション負けを繰り返し中継されない 2016 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 189 号 17

4 間優先度の高いメッセージが待たされ通信遅延時間の要件を満たせないということが発生する ( 図 9) メッセージ ID=50 ID=30 図 9 ID=10 ID=20 中継用ハッファ ID=80 アーヒトレーション負け ID=60 アービトレーションの中継への影響診断用コネクタに接続した故障診断ツールからのプログラムを書き換えることができる 4 情報セキュリティ前述の故障診断やプログラム書換えではは故障診断ツールと通信を行う故障診断ツールは車外機器のためその通信においては情報セキュリティを確保する必要があるその対応としてがファイアウォールの役目を果たす 3-4 共通機能と固有機能の分離中継機能では各メッセージをどのように中継するかはカーメーカーおよび車種によって異なるのでその情報をルーティングマップと呼ぶ設定表に切り出しカーメーカー共通にできる部分と車種固有となる部分を分けた中継機能以外も含めると各機能は表 1のように分けることができるこのように共通部分と固有部分に分けることで効率良く開発でき将来の拡張性もある設計とした今回通信遅延時間が最短になるように受信メッセージの優先度に応じた中継用バッファへの格納方法を決めるアルゴリズムを開発しカーメーカーや車種ごとに異なる車両 1 台分のメッセージセットの情報を入力すると自動的にバッファ構造を決められるツールを開発したまたネットワークシミュレータを用いて各メッセージが通信遅延時間の要件を満足できるか検証できる環境も構築したこれにより異なるカーメーカーの様々な車種への対応が容易となった 3-3 中継以外の機能 1ウェイクアップ / スリープ制御にはの中継処理を行う通常状態と中継処理を行なわずマイコンが低消費電力モードに入るスリープ状態がある車両駐車時のバッテリ消費を抑制するためエンジン停止後に一定時間メッセージを受信しないなど特定の条件が成立した場合に通常状態からスリープ状態に遷移するまたスリープ状態でエンジン始動やメッセージ受信などウェイクアップ条件が成立すると通常状態に遷移するはこれら通常状態とスリープ状態の遷移を管理するウェイクアップ / スリープ制御機能を持つ 2 故障診断 ( ダイアグ ) 中継時のメッセージ送信処理において一定時間経過しても送信できない場合などに発生した現象の内容を記憶しカーディーラの故障診断ツールで読み出すことができる機能を持つ 3プログラム書換え ( リプログラミング ) マイコンやメモリなどの部品を交換することなく車両表 1 共通機能と固有機能の分離共通 / 固有カーメーカー固有共通機能車種共通車種固有逐次中継周期変換中継中継機能データ組替中継ルーティングマップウェイクアップ / スリープ制御故障診断プログラム書換え情報セキュリティ 3-5 小型軽量化今回開発したは以前に開発した2チャネルゲートウェイに対してを4チャンネル追加しているが厳しい車載品質を確保したうえで 1 表面実装型コネクタ採用による部品実装率の向上 2 小型電子部品の採用 3 基板の多層化などを行い従来サイズ比 27% 減 ( 基板面積比 ) の79mm 55mm 18mm 質量比 23% 減の42gを達成した ( 図 10) 79mm 18mm 55mm 図 10 のサイズ 18 車載小型軽量多チャンネルユニット

以上のようにカーメーカーや車種間の仕様差を吸収しやすい設計とすることで効率の良い開発が可能でまた小型軽量で車両に搭載しやすいを開発することができた参考文献 (1) ISO 11898-1:2015, Road

今後車の高機能化自動運転化に向けて車載通信の面では更なる高速化および車外との通信機能が求められる高速化としては従来の 500kbit/sを5Mbit/s 程度まで高速化できる-FD( with

スマートフォン等との通信でありそれらの通信においては暗号化や認証など民生のコンピュータ通信と同等の情報セキュリティ機能が必要となる図 11に次世代の構成例を示すこの中の破線部は今回開発した部分である

黒崎郁之助 : 住友電装グループ長長崎ソフトセンター松尾智貴 : 住友電装制御システム設計部主席車外車内故障診断ツール LTE/WiFi サーバスマートフォン Ethernet 情11 次世代能図

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5 以上のようにカーメーカーや車種間の仕様差を吸収しやすい設計とすることで効率の良い開発が可能でまた小型軽量で車両に搭載しやすいを開発することができた参考文献 (1) ISO :2015, Road vehicles -- Controller area network ()--, Part 1: Data link layer and physical signaling 4. 今後車の高機能化自動運転化に向けて車載通信の面では更なる高速化および車外との通信機能が求められる高速化としては従来の 500kbit/sを5Mbit/s 程度まで高速化できる-FD( with Flexible Data rate) (1) やEthernetによる通信への対応とそれら異なるプロトコル間での中継が必要となるまた車外との通信機能は LTEやWiFiによるサーバスマートフォン等との通信でありそれらの通信においては暗号化や認証など民生のコンピュータ通信と同等の情報セキュリティ機能が必要となる図 11に次世代の構成例を示すこの中の破線部は今回開発した部分である執筆者ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー * 宮下之宏 : オートネットワーク技術研究所情報ネットワーク研究部グループ長安川博 : 住友電装電子第 4 設計部グループ長黒崎郁之助 : 住友電装グループ長長崎ソフトセンター松尾智貴 : 住友電装制御システム設計部主席車外車内故障診断ツール LTE/WiFi サーバスマートフォン Ethernet 情11 次世代能図報セキュリティ機 -FD ( 高速 ) 堀端小林啓史 : オートネットワーク技術研究所情報ネットワーク研究部室長直人 : オートネットワーク技術研究所情報ネットワーク研究部技師 * 主執筆者 5. 結言今回小型軽量で車種バリエーションに対応しやすい 6チャンネルのを開発した今後は高速マルチプロトコル通信情報セキュリティ強化に対応した次世代の開発を進めていく Ethernet は XeroxCorporation の登録商標です 2016 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 189 号 19

Vol.53 No (July 2012) EV ITS 1,a) , EV 1 EV ITS EV ITS EV EV EV Development and Evaluation of ITS Information Commu

Vol.53 No (July 2012) EV ITS 1,a) , EV 1 EV ITS EV ITS EV EV EV Development and Evaluation of ITS Information Commu EVITS 1,a) 2 2 2011 10 21, 2012 4 2 EV 1 EV ITS EV ITS EV EV EV Development and Evaluation of ITS Information Communication System for Electric Vehicle Yuriko Hattori 1,a) Tomokazu Shimoda 2 Masayoshi

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