안녕하세요. 지난 1편에서는 CAN 통신의 등장 배경과 공유 버스 토폴로지의 이점에 대해 살펴보았습니다.
현업에서 CANoe 같은 시뮬레이션 툴을 연결했을 때, 모든 노드가 정상임에도 불구하고 'Error Active' 상태에서 'Error Passive'로 넘어가거나 통신이 간헐적으로 끊기는 문제를 마주할 때가 있습니다. 이럴 때 우리는 소프트웨어 코드나 DBC 설정을 넘어, 결국 오실로스코프를 들고 물리 계층(Physical Layer)의 신호를 확인하게 됩니다.
오늘은 스코프 파형 속에 숨겨진 전기적 원리와, 회로도 마다 필수적으로 등장하는 120옴 종단저항의 기술적 의미를 정리해 보겠습니다.
1. 노이즈를 이겨내는 법: 차동 전압(Differential Voltage)
자동차 내부에는 수많은 모터와 스위칭 소자들이 존재하며, 이는 엄청난 전자기적 노이즈(EMI)를 발생시킵니다. 만약 UART처럼 한 선의 전압(Single-ended)만 체크한다면, 노이즈가 유입되는 순간 전압 레벨이 흔들려 데이터가 쉽게 깨지게 됩니다.
CAN은 이를 극복하기 위해 두 선(CAN_H, CAN_L)의 '전압 차이'를 이용하는 차동 전압 방식을 사용합니다.
배선을 꼬아놓은 트위스티드 페어(Twisted Pair)를 사용하면 외부 노이즈가 두 선에 거의 동일한 크기로 유입됩니다. 이를 동상 모드 노이즈(Common Mode Noise)라고 하는데, 수신기(Transceiver)가 두 선의 '차이'만 계산하면 노이즈 성분은 자연스럽게 뺄셈 연산으로 상쇄됩니다. 이것이 CAN이 가혹한 차량 환경에서 압도적인 신뢰성을 갖는 첫 번째 이유입니다.
2. Dominant(0)와 Recessive(1)의 전기적 상태
CAN 컨트롤러는 논리적 0과 1을 전압의 절대치가 아닌, 두 선의 전압 차이로 정의합니다.
- Recessive (논리 1): 버스가 Idle 상태이거나 '1'을 보낼 때입니다. CAN_H와 CAN_L 모두 약 2.5V를 유지하며, 두 선의 차이는 0V에 가깝습니다.
- Dominant (논리 0): 데이터를 보낼 때 '0'을 쏘는 상태입니다. CAN_H는 약 3.5V로 올라가고, CAN_L은 약 1.5V로 내려갑니다. 이때 두 선의 차이는 약 2.0V가 됩니다.
여기서 중요한 점은 왜 '0'이 우세(Dominant)라고 불리는가입니다. 두 제어기가 동시에 신호를 보낼 때, 한쪽이 '1'을 보내고 다른 쪽이 '0'을 보내면 버스는 물리적으로 '0'의 전압 상태가 됩니다. 이 전기적 특성이 다음 편에서 다룰 'ID 우선순위 중재'의 핵심 근거가 됩니다.
3. 120옴 종단저항(Termination Resistor)의 진짜 목적
많은 주니어 엔지니어들이 프로젝트 중 "종단저항을 깜빡했다"는 말을 자주 합니다. 단순히 '전류를 흘리기 위해서'라고 생각하기 쉽지만, 진짜 목적은 신호의 반사(Reflection) 방지에 있습니다.
통신 신호는 일종의 전기적 파동입니다. 신호가 선로의 끝에 도달했을 때, 그 에너지를 흡수할 곳이 없으면 신호는 마치 벽에 부딪힌 공처럼 반대 방향으로 튕겨 나옵니다. 이를 반사파라고 하며, 이 반사파가 원래 가고 있던 다음 신호와 부딪히면 파형이 찌그러지는 링잉(Ringing) 현상이 발생합니다.
이를 막기 위해 선로의 끝에 임피던스 매칭을 해주는 것입니다. CAN 케이블(꼬임선)의 특성 임피던스는 보통 120옴입니다. 따라서 버스의 양 끝단에 120옴 저항을 병렬로 연결하면, 신호가 끝에 도달했을 때 저항에서 열에너지로 소모되며 반사되지 않고 사라집니다. (병렬 2개이므로 전체 버스 저항을 측정하면 60옴이 나오는 것이 정상입니다.)
📌 요약
- 차동 전압: 노이즈가 유입되어도 두 선의 전압 차이는 유지되므로 데이터가 안전합니다.
- Dominant vs Recessive: 전압이 벌어지면 0(우세), 붙어 있으면 1(열세)입니다.
- 120옴 저항: 신호가 선 끝에서 되돌아오는 '메아리(반사파)'를 흡수하여 파형을 깨끗하게 유지합니다.
다음 [CAN 통신 엔지니어링 노트 #3]에서는 이 전기적 특성을 바탕으로, 여러 제어기가 동시에 말을 할 때 어떻게 데이터 충돌 없이 우선순위를 가리는지 '중재(Arbitration) 메커니즘'에 대해 심도 있게 다루어 보겠습니다.
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