CAN（CANバス）

概要

CAN（Controller Area Network：コントローラ・エリア・ネットワーク）は、1986年にドイツのBosch社が車載ECU（電子制御ユニット）間の通信を目的として開発した差動シリアル通信バスです。現在は車載だけでなく、産業機器・医療機器・航空宇宙分野など、高信頼性が求められる幅広い用途で使われています。

CANの最大の特徴は「高い耐ノイズ性」と「マルチマスター対応」です。CANH/CANLの2線差動信号を使うため、ノイズ環境に強く、バスに接続された全デバイス（ノード）が対等にバスを使えるマルチマスターアーキテクチャを採用しています。また、1つのノードが故障してもバス通信が維持される耐障害性も大きな強みです。

標準的なCAN（CAN 2.0）は最大1Mbpsの速度を持ちます。より高速・大容量が必要な用途にはCAN FDが使われます。

歴史・背景

CANの開発は1983年、Boschがメルセデス・ベンツと共同で開始しました。1986年のSAE（自動車技術会）で正式発表され、1991年にはIntelとPhilipsが最初のCAN ICを製品化。1993年にISO 11898（高速CAN）とISO 11519（低速CAN）として国際標準化されました。

1990年代に欧州の自動車メーカーが次々とCANを採用し、2004年にはEUがすべての新車へのCAN搭載を義務化。今日では1台の自動車に70〜100個ものECUが搭載され、数本のCANバスで繋がれています。

産業分野ではCANopenプロファイルが標準化され、産業機器の相互接続性を確保しています。また医療機器・エレベーター・農業機械など、安全性・信頼性が重視される分野でも採用が進んでいます。

技術仕様

物理層

仕様	値
信号方式	差動（CANH/CANL）
ドミナント電圧	CANH: 3.5V, CANL: 1.5V（差電圧2V）
レセッシブ電圧	CANH/CANL共に約2.5V（差電圧0V）
最大ノード数	理論値127、実用上32〜110
最大バス長	1Mbps時: 40m / 125kbps時: 500m / 10kbps時: 6km
終端抵抗	両端に120Ω（差動インピーダンス60Ω）

速度と距離の関係

速度	最大バス長
1 Mbps	40 m
500 kbps	100 m
250 kbps	250 m
125 kbps	500 m
10 kbps	6 km

フレームフォーマット（CAN 2.0A：標準フレーム）

[SOF][ID(11bit)][RTR][IDE][r0][DLC(4bit)][Data(0〜8byte)][CRC(15bit)][CRC Del][ACK][ACK Del][EOF]

SOF（Start of Frame）: フレーム開始の1ビット（ドミナント）
ID（識別子）: 11ビット（標準）または29ビット（拡張フレーム）。優先度も兼ねる
RTR（Remote Transmission Request）: データ要求フレームの識別
DLC（Data Length Code）: データ長（0〜8バイト）
Data: 最大8バイトのペイロード
CRC: 15ビットのCRC（誤り検出）

CAN 2.0Bでは拡張フレーム（29ビットID）が追加されました。

動作原理

ビット調停（Arbitration）

CANはマルチマスターバスのため、複数ノードが同時に送信を開始する可能性があります。CANはビット単位の「非破壊調停（Non-destructive Arbitration）」で競合を解決します：

ドミナント（Dominant）: 論理0。任意のノードがドミナントを送出すると、バス全体がドミナント
レセッシブ（Recessive）: 論理1。全ノードがレセッシブのとき、バスはレセッシブ

送信中に自分の送出ビット（レセッシブ）とバスの状態（ドミナント）が異なる場合、そのノードは送信を停止して受信に切り替わります。IDが小さい（数値が低い）フレームが優先されます（低IDほど0が多くドミナントが勝つ）。

エラー処理

CANの高信頼性を支えるのは多層的なエラー検出と自動再送です：

CRCエラー: CRC不一致
スタッフエラー: 6ビット連続同値（ビットスタッフィング違反）
フォームエラー: フレームフォーマット違反
ACKエラー: ACKスロットで誰もACKを返さない
ビットエラー: 送信中に異なるビットを検出

エラーを検出したノードはエラーフレームを送出してフレームを無効化します。各ノードはTEC（送信エラーカウンタ）とREC（受信エラーカウンタ）を持ち、一定値を超えると「バスオフ状態」になりバスから切り離されます。

// STM32 HAL を使ったCAN送信例（CAN 2.0A標準フレーム）

CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;
uint8_t tx_data[8];
uint32_t tx_mailbox;

tx_header.StdId              = 0x123;       // 11ビットID
tx_header.IDE                = CAN_ID_STD;  // 標準フレーム
tx_header.RTR                = CAN_RTR_DATA;
tx_header.DLC                = 8;           // データ長8バイト
tx_header.TransmitGlobalTime = DISABLE;

tx_data[0] = 0x01;
tx_data[1] = 0x02;
// ... (tx_data[2]〜[7]をセット)

HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &tx_header, tx_data, &tx_mailbox);

// 受信設定（フィルタ設定）
CAN_FilterTypeDef filter;
filter.FilterBank           = 0;
filter.FilterMode           = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
filter.FilterScale          = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
filter.FilterIdHigh         = 0x0000;
filter.FilterIdLow          = 0x0000;
filter.FilterMaskIdHigh     = 0x0000;
filter.FilterMaskIdLow      = 0x0000;
filter.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;
filter.FilterActivation     = ENABLE;
HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &filter);

// 受信割り込みコールバック
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) {
    CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
    uint8_t rx_data[8];
    HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data);
    // rx_header.StdId でIDを確認、rx_data でデータを処理
}

用途・ユースケース

CANが採用される主な分野：

車載ECU間通信: エンジン制御・変速機・ABS・エアバッグ・ボディコントロールなど多数のECUをCANバスで接続
OBD-II診断: 車両の故障診断ポートはCAN上のOBDプロトコル（ISO 15765-4）
産業用ロボット: 多軸ロボットの各軸モーターコントローラ間のリアルタイム通信（CANopenプロトコル）
医療機器: 人工呼吸器・手術ロボットなど安全性が求められる機器
農業機械・建設機械: ISOBUS（ISO 11783）規格による農業機械の標準インターフェース
エレベーター制御: 各階ボタンユニットと制御盤の通信

実装・開発のポイント

終端抵抗の重要性

CANバスの両端には必ず120Ωの終端抵抗が必要です。終端がないと信号が反射してエラーが多発します。開発時はバスの両端（最初と最後のノード）に120Ωを実装します。

ビットタイミングの設定

CANのビットタイミングはプリスケーラ・プロパゲーションセグメント・フェーズセグメント1・フェーズセグメント2で構成されます。1ビット時間は複数のTime Quantum（Tq）に分割されます。マイコンのクロックから目標ボーレートを設定するための計算：

1ビット時間 = 1 / ボーレート
Time Quantum (Tq) = 1 / (システムクロック / プリスケーラ)
1ビット = (Sync_Seg + Prop_Seg + Phase_Seg1 + Phase_Seg2) × Tq

各マイコンベンダーのCANビットタイミング計算ツールや、オンラインのBit Timing Calculatorを使うと便利です。

CANopenとDBC

産業用途ではCANopenプロトコルを使うことでデバイス間の相互運用性が確保できます。車載用途ではDBC（CAN Database）ファイルでメッセージ定義を管理し、CANalyzerなどのツールで通信解析を行います。

他技術との比較

CAN vs RS-485

項目	CAN	RS-485
マルチマスター	あり（調停機能）	なし（マスタースレーブ）
エラー処理	ハードウェアで自動	ソフトウェアで実装
ボーレート	最大1Mbps	最大10Mbps
最大距離	1Mbps時40m	10Mbps時12m, 100kbps時1200m
対象分野	車載・産業	産業・建物設備

CAN vs CAN FD

CAN FD（CAN with Flexible Data-rate）は標準CANの後継で、データフェーズを最大8Mbpsまで高速化し、ペイロードを最大64バイトまで拡張しました。既存のCANネットワークとの後方互換性も持ちます。

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