이산화탄소 배출량이 적은 파워트레인, 소형 바디에 쾌적한 실내 공간을 실현하는 카 내비게이션과 에어컨, 어두워지면 자동으로 점등되는 헤드라이트. 자동차에서 볼 수 있는 다양한 기능들이다. 요즘 자동차는 환경친화적이고 연비가 좋아야 하며, 마치 집안에 있는 것처럼 쾌적하고 사고를 미연에 방지해 주는 안전성이 요구된다. 이런 요구에 따라 최신 자동차에는 안전과 쾌적성에 관련된 기능들이 많이 탑재되고 있다.
안전과 쾌적 기능은 전자제어장치(ECU)에 의해 실현된다. ECU에는 중앙처리장치와 센서 등이 탑재돼 있어 각 기능을 제어한다. 예를 들면, ECU는 차의 속도와 엔진의 회전수 등을 측정하여 가솔린의 분출량을 제어한다. 연료 분출을 잘 제어함으로써 연비 향상과 함께 이산화탄소의 배출량을 감축할 수 있다. 또한 오토 에어컨의 ECU는 센서의 정보를 토대로 항상 자동차 실내를 쾌적한 온도로 유지하며, 헤드라이트 ECU는 센서의 정보를 토대로 자동적으로 조명의 온/오프를 제어한다.
뿐만 아니라 여러 개의 ECU를 연결함으로써 복잡한 동작을 연동시킬 수 있다. 시프트 레버를 후진으로 넣으면 카 내비게이션 화면이 후방 카메라의 영상으로 전환되는 동시에 사이드미러가 아래로 향하는 자동차도 등장했다. 이 기능은 시프트 레버, 후방 카메라, 사이드미러에 있는 각 ECU와 카 내비게이션이 정보를 주고받음으로써 가능하다. 즉, 시프트 레버를 후진으로 넣으면 시프트 레버를 감시하는 ECU에서 관련 정보가 후방 카메라의 ECU로 전달된다. 그리고 후방 카메라는 촬영을 시작하여 영상을 카 내비게이션으로 전송한다. 시프트 레버를 감시하는 ECU에서 같은 정보가 카 내비게이션에 전달되고 화면을 후방 카메라에서 전송된 영상으로 전환한다. 또한 그 정보는 사이드미러의 ECU에도 전달, 모터를 움직여 미러가 아래로 향하게 한다.
이렇게 여러 개의 ECU를 연결하기 위해 자동차 안에도 네트워크가 깔려 있다. 그럼 사무실과 가정의 컴퓨터를 연결하는 네트워크와 차량용 네트워크는 무엇이 다른가?
자동차에 ECU를 탑재하고 전자제어를 도입한 것은 1970년대의 일이다. 초기에는 탑재된 ECU 수가 몇 개에 불과했으며, 이것을 연결하는 배선도 얼마 되지 않았다. 그러나 자동차에 보다 많은 기능이 요구됨에 따라 ECU 수가 점차 늘어나기 시작했다. 차종에 따라서 다르지만 일반적인 자동차에는 40~60개 정도, 고급 자동차에는 약 100개의 ECU가 탑재된다. ECU가 증가함에 따라 배선량도 방대해졌다. 그 결과 차량 전체에 복잡한 배선이 깔리게 되었다(그림 1).
방대하고 복잡한 배선은 연비를 떨어뜨리는 원인이 되었다. 또한 배선을 위한 공간 확보로 인해 실내 공간이 좁아졌다. 원래는 연비를 좋게 하고 쾌적한 실내 공간을 실현하기 위해 도입된 ECU가 오히려 반대의 결과를 초래하게 된 것이다.
이런 문제를 해결하기 위해서는 배선량을 줄여야 한다. 이 목적으로 등장한 것이 차량용 네트워크이다. 개별 배선을 네트워크에 통합함으로써 배선량을 크게 줄일 수 있었다.

차량용 네트워크의 등장

미국과 유럽에서는 1980년대 이미 차량용 네트워크 통신 규격이 개발되어 일부 차량에 채용되었지만, ECU 수가 그다지 많지 않았던 그 시기는 일대일 직접 접속으로 UART 통신을 사용하는 예가 많았다.
최초의 차량용 네트워크 통신 규격은 1986년에 독일 보쉬가 개발한 CAN1.0이다. 그 이전에는 규격화된 네트워크 방식이 존재하지 않았으며, 각 자동차 메이커들은 독자적인 통신 프로토콜을 이용했다. 이후 1991년에 CAN2.0이 발표되었으며 1993년에 ISO에서 국제표준 규격(ISO-11898)으로 제정했다. 또 1995년에는 개량 버전인 CAN2.0B가 발표되었다. CAN은 1992년부터 유럽 자동차 메이커들이 광범위하게 채택함에 따라 현재 사실상 업계 표준이 되었다.
CAN보다 저속의 제어계 통신 규격인 LIN은 1999년에 처음 소개되었다. 이후 몇 차례의 버전-업을 거쳐 2003년에 진단 기능 등이 추가된 LIN2.0이 발표되었으며 2006년에 LIN2.1로 버전업되었다.
2000년이 되자 CAN에서는 충족시킬 수 없는 통신속도와 신뢰성이 요구되는 주행 제어에 적용하기 위해 FlexRay1.0이 FlexRay 컨소시엄에 의해 발표되었다. FlexRay는 완전 이중화된 네트워크와 다양한 네트워크 토폴로지를 지원함으로써 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 규격으로 개발되었다. 2004년에 FlexRay2.0에 이어 2005년에 FlexRay2.1이 발표되었으며 2006년부터 실제 차량에 적용되기 시작했다. 토요타자동차는 2010년도에 투입하는 차종부터 FlexRay를 채용할 계획이다. 우선 하이브리드 카의 파워트레인과 고급차의 차량 운동 제어용부터 이용하게 된다. 일본계 메이커에서 도입 시기를 밝힌 것은 토요타가 처음으로 혼다도 빠르면 2009년에 투입하는 신형 하이브리드 카에 FlexRay를 채용할 가능성이 높다.
정보 계통의 차량용 네트워크 규격에는 MOST와 IDB-1394가 있다. MOST는 2001년에 유럽 5개 자동차 메이커에서 제안한 규격이다. 현재 전세계 55개 이상의 자동차 모델에 사용되고 있으며 지난 3월에는 차세대 인포테인먼트 백본용으로 MOST 규격 Rev. 3.0이 공개되었다. 한편 2002년에는 1394 트레이드 어소시에이션(TA)에서 IEEE1394를 기반으로 한 IDB-1394를 제안했다. IDB-1394는 현재 실장을 위한 연구개발이 진행중이며 실차 적용에 대한 공식적인 소식은 나오지 않고 있다.
시장 조사기관인 SA(Strategy Analytics)에 따르면, 차량용 전자식 네트워크는 2014년까지 연간 약 200만 노드로 증가할 것으로 전망된다. 자동차에 추가되는 네트워크는 연간 성장률 16%로 2014년까지 10억 달러의 시장가치를 창출할 것으로 예상된다.

차량용 네트워크의 응용

차량용 네트워크의 용도에는 크게 2가지가 있다. 하나는 주행과 바디에 관계되는 제어계이며, 또 하나는 카 내비게이션이나 오디오 등의 기기를 연결하는 정보계이다. 이 가운데 제어계는 다시 3계통으로 나뉜다.
즉 엔진을 비롯한 파워트레인계, 서스펜션과 스티어링을 비롯한 새시(차대)계, 에어컨과 도어를 비롯한 바디계이다.
차량에는 용도별로 다른 종류의 네트워크를 깐다. 예를 들면 제어계에는 일반적으로 CAN이 사용되며, 이를 보조하기 위해 저속에 저렴한 LIN을 조합하는 경우가 늘고 있다. 정보계에는 고속의 MOST가 사용되기 시작했으며 보다 통신속도를 높인 IDB-1394의 사용도 검토되고 있다.
한편 제어계에는 높은 신뢰성을 제공하는 FlexRay가 BMW X5 SAV(Sports Activity Vehicle) 모델 등 일부 차종에 적용되기 시작했다. 최근 주목을 받고 있는 X-by-Wire를 실현하기 위해서이다. X-by-Wire란 기존의 샤프트 및 기어를 비롯한 기계적인 기구의 제어를 대신해 모터와 액추에이터 등의 ECU를 차량용 네트워크로 연결한 전자제어로 실현하는 시스템을 말한다. X-by-Wire를 도입하면 기계적 기구를 줄일 수 있기 때문에 차량의 경량화와 차내 공간 확대, 그리고 디자인의 자유도를 높일 수 있다.
X-by-Wire의 ‘X’에는 전자제어의 대상이 되는 브레이크와 시프트 기어, 스티어링 등이 포함된다. 여기서는 스티어링을 전자 제어하는 스티어링 바이 와이어를 살펴보자. 일반적인 자동차에서는 스티어링과 타이어 사이에 샤프트라고 하는 1미터 정도의 금속성 봉이 있다. 샤프트는 스티어링의 회전을 타이어에 전달하는 부품이다. 차종에 따라서는 상당히 길고 무거운 봉을 사용하는 경우도 있으며 타이어와의 위치 관계에 따라서는 조인트가 필요한 경우도 있다.
스티어링 바이 와이어에는 샤프트와 조인트가 사라지고 차량용 네트워크의 네트워크 배선과 액추에이터로 대체됨으로써 차량의 경량화에 크게 기여한다. 또한 샤프트와 조인트가 차지하던 공간이 필요 없기 때문에 실내 공간을 확대할 수 있으며 디자인의 자유도를 높일 수 있다.

차량용 네트워크 방식 간 차이

다시한번 차량용 네트워크의 주요 방식과 특징을, 제어계는 표 1, 정보계는 표 2에 각각 정리한다. 이번 커버스토리에서는 제어계의 차량용 네트워크 방식인 LIN과 CAN에 대해 소개할 것이다. 이번에는 각 방식의 개요를 파악하기 위해 통신방식과 네트워크 구성(토폴로지)의 차이를 간단하게 설명한다. 설명에 나오는 노드란 일반적으로 네트워크에 접속되어 있는 것을 나타내지만, 여기서는 ECU가 그것에 해당한다.
우선 통신방식의 차이로 살펴보자. 차내 통신을 개시하는 타이밍에 따라서 2가지 타입이 있다. LIN, CAN은 이벤트 발생 시에 통신을 개시하는 ‘이벤트 드리븐형’이며 FlexRay는 일정 기간에 통신을 하는 ‘타임 트리거형’이다. 타임 트리거형은 통신 개시 타이밍이 충돌하는 일은 없지만 이벤트 드리븐형에서는 충돌하는 일이 있다. 이 때문에 LIN 방식은 마스터가 통신 타이밍을 관리함으로써, 그리고 CAN 방식은 각 노드가 송신하는 신호를 이용해서 조정함으로써 충돌을 차단한다.
차량용 네트워크 뿐만 아니라 통신을 하는 경우에는 일반적으로 마스터(송신처)와 슬레이브(수신처)가 존재한다. 통신은 반드시 마스터가 시작한다. LIN에는 마스터가 되는 노드가 결정되어 있기 때문에 특정 노드에서만 통신을 개시할 수 있다. 이 타입을 싱글 마스터라고 한다. 반면 CAN과 FlexRay는 어느 노드에서든 자유롭게 통신을 개시할 수 있는 멀티 마스터이다. 싱글 마스터의 경우 노드는 네트워크로 자유롭게 참가·이탈할 수는 없지만 멀티 마스터에서는 자유롭게 수행할 수 있다.
마지막으로 네트워크 구성(토폴로지)에 대해 간단하게 살펴보자. 네트워크 구성에서 자주 이용하는 토폴로지에는 버스형과 스타형이 있다. LIN과 CAN에서는 버스형을 채용한다. 버스형은 한 선에 각 노드가 접속하는 형태이며 노이즈에 강한 것이 특징이다. 스타형에서는 각 노드를 하나의 포인트 혹은 장치로 묶어 두며, 장해가 발생할 때 원인 장소를 특정하기 쉬운 것이 특징이다. FlexRay는 버스형과 스타형 모두를 사용할 수 있으며 양자를 적재적소에 혼재시킬 수도 있다.
각 방식은 다음 Part에서 설명하기로 한다.