STM32 CAN で実現する先進的なアプリケーション：事例集

STM32 CAN で実現する先進的なアプリケーション：事例集

はじめに

CAN (Controller Area Network) は、特にリアルタイム性、信頼性、経済性が求められる組み込みシステムにおいて、デバイス間の通信を効率的に行うための堅牢なシリアル通信プロトコルです。自動車業界でその有用性が証明されて以来、CAN は産業オートメーション、医療機器、航空宇宙、海洋工学など、幅広い分野で採用されています。

STMicroelectronics (ST) の STM32 マイクロコントローラ (MCU) は、豊富なペリフェラル、高性能、低消費電力、そして手頃な価格帯から、CAN 通信機能を必要とするアプリケーションに最適な選択肢となっています。STM32 MCU は、CAN ペリフェラルの多様なバリエーション（CAN、CAN FD）を提供し、アプリケーションの要件に応じて柔軟に選択できます。

本記事では、STM32 CAN を活用した先進的なアプリケーションの事例を詳細に解説し、それぞれの事例における設計上の考慮事項、課題、そして解決策について深く掘り下げていきます。これにより、読者の皆様が STM32 CAN を自身のプロジェクトに効果的に組み込むための知識とインスピレーションを得られることを目的とします。

1. STM32 CAN の基本と特徴

CAN は、マルチマスタ方式のシリアル通信プロトコルであり、以下の特徴を備えています。

• メッセージ指向: データはメッセージとして送信され、各メッセージには識別子 (Identifier) が含まれます。受信ノードは、識別子に基づいてメッセージを受け取るかどうかを判断します。
• 優先度ベースの調停: 複数のノードが同時にメッセージを送信しようとした場合、識別子の値が小さいメッセージが優先されます。これにより、重要なメッセージが遅延なく送信されることが保証されます。
• エラー検出と回復: CAN は、高度なエラー検出メカニズム（CRC、ACK、ビットモニタリングなど）を備えており、データの信頼性を高めます。エラーが発生した場合、メッセージは自動的に再送信されます。
• 柔軟なネットワーク構成: CAN ネットワークは、さまざまなトポロジー（バス型、スター型など）で構築できます。
• 高速通信: 標準 CAN (CAN 2.0A/B) は最大 1 Mbps の通信速度をサポートします。CAN FD (CAN Flexible Data-Rate) は、さらに高速な通信（最大 8 Mbps）を可能にします。

STM32 MCU は、以下の CAN ペリフェラルを提供します。

• bxCAN (Basic Extended CAN): 標準 CAN 2.0A/B をサポートします。
• FDCAN (CAN Flexible Data-Rate): CAN FD をサポートします。
• TTCAN (Time-Triggered CAN): 時間トリガ通信をサポートします。

これらのペリフェラルは、豊富な設定オプションを備えており、アプリケーションのニーズに合わせて柔軟に構成できます。例えば、ボーレート、フィルタリングオプション、割り込み設定などを調整できます。

2. 自動車制御システムにおける STM32 CAN の活用

自動車は、複雑な電子制御システムの集合体であり、エンジン制御、ブレーキ制御、ステアリング制御、ボディ制御など、多くの電子制御ユニット (ECU) が CAN ネットワークで接続されています。STM32 CAN は、これらの ECU 間でのデータ交換を効率的に行うために広く利用されています。

事例 1: エンジン制御ユニット (ECU)

エンジン ECU は、エンジンの動作を最適化するために、さまざまなセンサーからのデータ（クランク角度、吸気圧、排気温度など）を収集し、それに基づいて燃料噴射量、点火時期、スロットル開度などを制御します。STM32 CAN は、以下の目的でエンジン ECU に利用されます。

• センサーデータの収集: エンジン ECU は、CAN ネットワーク上のセンサーノードからデータを収集します。例えば、車輪速センサーからのデータは、トラクションコントロールシステム (TCS) やアンチロックブレーキシステム (ABS) に利用されます。
• アクチュエータの制御: エンジン ECU は、CAN ネットワーク上のアクチュエータノードを制御します。例えば、電動ファン制御ユニットに信号を送信して、エンジンの冷却を行います。
• 診断情報の送信: エンジン ECU は、CAN ネットワーク上に診断情報を送信します。この情報は、診断ツールを使用してエンジンの状態を監視したり、故障を特定したりするために利用されます。
• ハイブリッド/電気自動車 (HEV/EV) 連携: HEV/EV システムでは、バッテリー管理システム (BMS) とエンジン ECU が CAN ネットワークを通じて連携し、効率的なエネルギー管理を実現します。

設計上の考慮事項:

• リアルタイム性: エンジン制御は、極めて高いリアルタイム性が求められます。STM32 CAN は、メッセージの優先度ベースの調停機構を活用して、重要なメッセージが遅延なく送信されることを保証する必要があります。
• 安全性: エンジン制御の誤動作は、重大な事故につながる可能性があります。STM32 CAN は、エラー検出と回復メカニズムを活用して、データの信頼性を高める必要があります。
• 機能安全 (Functional Safety): 自動車アプリケーションでは、ISO 26262 などの機能安全規格への準拠が求められます。STM32 MCU は、機能安全規格に対応した製品を提供しており、ソフトウェアとハードウェアの両面で安全性を確保する必要があります。

事例 2: 車体制御システム (BCM)

車体制御システム (BCM) は、ワイパー、ライト、ドアロック、パワーウィンドウなど、車両のさまざまな機能を制御します。STM32 CAN は、以下の目的で BCM に利用されます。

• スイッチ入力の監視: BCM は、CAN ネットワーク上のスイッチノードから入力信号を監視します。例えば、ヘッドライトスイッチからの信号は、ヘッドライトの点灯/消灯を制御するために利用されます。
• アクチュエータの制御: BCM は、CAN ネットワーク上のアクチュエータノードを制御します。例えば、ドアロックアクチュエータに信号を送信して、ドアのロック/アンロックを行います。
• 診断情報の送信: BCM は、CAN ネットワーク上に診断情報を送信します。この情報は、車両のメンテナンスのために利用されます。
• ユーザーインターフェースとの連携: BCM は、インストルメントパネルやインフォテインメントシステムなどのユーザーインターフェースと連携し、車両の状態を表示したり、ユーザーからの操作を受け付けたりします。

設計上の考慮事項:

• 省電力: BCM は、常に電源に接続されているため、消費電力を最小限に抑える必要があります。STM32 MCU は、低消費電力モードを備えており、必要に応じて消費電力を削減できます。
• 柔軟性: BCM は、車両のモデルやグレードによって異なる機能をサポートする必要があります。STM32 CAN は、ソフトウェアで機能をカスタマイズできるため、柔軟な設計が可能です。
• セキュリティ: 近年、自動車のハッキングが増加しており、BCM のセキュリティ対策が重要になっています。STM32 MCU は、セキュリティ機能を備えており、不正アクセスから車両を保護できます。

事例 3: 先進運転支援システム (ADAS)

先進運転支援システム (ADAS) は、衝突回避、車線維持、アダプティブクルーズコントロールなどの機能を提供し、ドライバーの安全性を高めます。STM32 CAN は、以下の目的で ADAS に利用されます。

• センサーデータの収集: ADAS は、CAN ネットワーク上のレーダー、カメラ、超音波センサーなどのセンサーノードからデータを収集します。
• 制御コマンドの送信: ADAS は、CAN ネットワーク上のブレーキ制御ユニット、ステアリング制御ユニットなどの制御ノードに制御コマンドを送信します。
• データフュージョン: ADAS は、複数のセンサーからのデータを統合し、より正確な車両周辺環境の認識を行います。CAN は、これらのセンサー間のデータ伝送を効率的に行います。
• リアルタイム処理: ADAS は、リアルタイムで車両周辺環境を分析し、適切な制御を行う必要があります。STM32 MCU は、高性能な処理能力を備えており、リアルタイム処理を可能にします。

設計上の考慮事項:

• 信頼性: ADAS の誤動作は、重大な事故につながる可能性があります。STM32 CAN は、エラー検出と回復メカニズムを活用して、データの信頼性を高める必要があります。
• 低遅延: ADAS は、リアルタイムで車両周辺環境を分析し、適切な制御を行う必要があります。STM32 CAN は、低遅延な通信を実現する必要があります。
• 大容量データ伝送: ADAS は、レーダーやカメラからの大量のデータを処理する必要があります。CAN FD は、標準 CAN よりも高速な通信速度をサポートしており、大容量データ伝送に適しています。

3. 産業オートメーションにおける STM32 CAN の活用

産業オートメーションは、製造プロセスを自動化し、生産効率を向上させるための技術です。STM32 CAN は、ロボット、PLC (Programmable Logic Controller)、センサー、アクチュエータなどの産業機器間の通信を効率的に行うために広く利用されています。

事例 1: ロボット制御

ロボットは、産業オートメーションの中核となる要素であり、組み立て、溶接、塗装など、さまざまな作業を行います。STM32 CAN は、以下の目的でロボット制御に利用されます。

• 関節制御: ロボットの各関節は、サーボモーターによって駆動されます。STM32 CAN は、ロボットコントローラからサーボモータードライバに制御コマンドを送信するために利用されます。
• センサーデータの収集: ロボットは、力覚センサー、ビジョンセンサーなどのセンサーからデータを収集し、周囲の環境を認識します。STM32 CAN は、これらのセンサーからロボットコントローラにデータを送信するために利用されます。
• 安全機能: ロボットは、安全柵や非常停止ボタンなどの安全機能と連携し、作業者の安全を確保します。STM32 CAN は、これらの安全機能とロボットコントローラ間の通信に使用されます。
• 協調ロボット (Cobot): 協調ロボットは、人間と共同で作業を行うロボットです。STM32 CAN は、協調ロボットと人間との安全なインタラクションを実現するために利用されます。

設計上の考慮事項:

• リアルタイム性: ロボット制御は、高いリアルタイム性が求められます。STM32 CAN は、メッセージの優先度ベースの調停機構を活用して、重要なメッセージが遅延なく送信されることを保証する必要があります。
• 安全性: ロボットの誤動作は、作業者の怪我につながる可能性があります。STM32 CAN は、エラー検出と回復メカニズムを活用して、データの信頼性を高める必要があります。
• ネットワークトポロジー: ロボット制御システムでは、複数のノードが複雑に接続されるため、適切なネットワークトポロジーを選択する必要があります。CAN は、バス型、スター型など、さまざまなトポロジーをサポートしています。

事例 2: PLC (Programmable Logic Controller)

PLC は、産業オートメーションにおける制御の中核を担うデバイスであり、シーケンス制御、PID 制御、モーション制御など、さまざまな制御を行います。STM32 CAN は、以下の目的で PLC に利用されます。

• I/O モジュールとの通信: PLC は、I/O モジュールを介してセンサーやアクチュエータと接続されます。STM32 CAN は、PLC と I/O モジュール間の通信に使用されます。
• 上位システムとの連携: PLC は、上位システム（HMI、SCADA など）と連携し、製造プロセスの監視や制御を行います。STM32 CAN は、PLC と上位システム間の通信に使用されます。
• 分散制御システム (DCS): 大規模な製造プロセスでは、複数の PLC が連携して制御を行います。STM32 CAN は、これらの PLC 間の通信に使用されます。
• フィールドバスネットワーク: PLC は、フィールドバスネットワーク（CANopen, EtherCAT など）を介して、さまざまなデバイスと接続されます。STM32 CAN は、フィールドバスネットワークの物理層として利用されます。

設計上の考慮事項:

• 堅牢性: PLC は、過酷な環境で使用されることが多いため、高い堅牢性が求められます。STM32 CAN は、耐ノイズ性に優れており、産業環境での使用に適しています。
• スケーラビリティ: PLC は、さまざまな規模の製造プロセスに対応する必要があるため、高いスケーラビリティが求められます。CAN は、ネットワークに接続できるノード数を柔軟に拡張できます。
• 標準化: PLC は、さまざまなメーカーのデバイスと連携する必要があるため、標準化された通信プロトコルを使用する必要があります。CANopen は、産業オートメーション分野で広く利用されている CAN ベースの通信プロトコルです。

事例 3: センサーネットワーク

産業オートメーションでは、温度、圧力、流量、振動など、さまざまな物理量を測定するために、多数のセンサーが使用されます。STM32 CAN は、これらのセンサーからのデータを収集し、中央制御システムに送信するために利用されます。

• ワイヤレスセンサーネットワーク (WSN): 無線通信技術（Bluetooth, Zigbee など）と CAN を組み合わせることで、ワイヤレスセンサーネットワークを構築できます。STM32 MCU は、これらの無線通信技術をサポートしており、柔軟なセンサーネットワークの構築を可能にします。
• エネルギーハーベスティング: センサーノードの電源として、振動エネルギー、太陽エネルギー、熱エネルギーなどを利用するエネルギーハーベスティング技術が注目されています。STM32 MCU は、低消費電力であり、エネルギーハーベスティングを利用したセンサーノードに適しています。
• 状態監視: センサーネットワークは、機械設備の状態を監視し、故障の予兆を早期に検知するために利用されます。STM32 CAN は、状態監視システムにおけるデータ伝送を効率的に行います。

設計上の考慮事項:

• 省電力: センサーノードは、バッテリーで動作することが多いため、消費電力を最小限に抑える必要があります。STM32 MCU は、低消費電力モードを備えており、必要に応じて消費電力を削減できます。
• ネットワークトポロジー: センサーネットワークは、広範囲に分散したセンサーノードを効率的に接続する必要があるため、適切なネットワークトポロジーを選択する必要があります。CAN は、バス型、スター型、メッシュ型など、さまざまなトポロジーをサポートしています。
• データセキュリティ: センサーネットワークは、機密性の高いデータを扱うことがあるため、データセキュリティ対策を講じる必要があります。STM32 MCU は、暗号化機能を備えており、データのセキュリティを確保できます。

4. 医療機器における STM32 CAN の活用

医療機器は、人々の健康と生命に関わるため、高い信頼性と安全性が求められます。STM32 CAN は、医療機器間でのデータ交換を効率的に行うために利用されています。

事例 1: 医療用ロボット

医療用ロボットは、手術、リハビリテーション、介護など、さまざまな医療現場で利用されています。STM32 CAN は、以下の目的で医療用ロボットに利用されます。

• 高精度制御: 医療用ロボットは、極めて高い精度で動作する必要があります。STM32 CAN は、高精度な制御に必要なデータ伝送を効率的に行います。
• 安全機能: 医療用ロボットは、患者や医療従事者の安全を確保するために、多くの安全機能を備えています。STM32 CAN は、これらの安全機能とロボットコントローラ間の通信に使用されます。
• 画像処理: 医療用ロボットは、内視鏡画像やX線画像などの画像データを処理し、医師の診断を支援します。STM32 CAN は、これらの画像データをロボットコントローラに送信するために利用されます。

設計上の考慮事項:

• 安全性: 医療用ロボットの誤動作は、患者に重大な損傷を与える可能性があります。STM32 CAN は、エラー検出と回復メカニズムを活用して、データの信頼性を高める必要があります。
• EMC (Electromagnetic Compatibility): 医療機器は、他の医療機器や電子機器に影響を与えないように、高い EMC 性能が求められます。STM32 CAN は、EMC 対策が施されており、医療環境での使用に適しています。
• 医療機器規格: 医療機器は、IEC 60601 などの医療機器規格に準拠する必要があります。STM32 MCU は、医療機器規格に対応した製品を提供しており、ソフトウェアとハードウェアの両面で安全性を確保する必要があります。

事例 2: 診断機器

診断機器は、CT スキャナ、MRI スキャナ、超音波診断装置など、さまざまな種類があります。STM32 CAN は、これらの診断機器におけるデータ伝送を効率的に行います。

• 画像データの転送: 診断機器は、高解像度の画像データを生成し、画像処理ユニットに転送する必要があります。CAN FD は、標準 CAN よりも高速な通信速度をサポートしており、大容量画像データ転送に適しています。
• センサーデータの収集: 診断機器は、温度、圧力、流量などのセンサーからデータを収集し、機器の状態を監視します。STM32 CAN は、これらのセンサーから機器コントローラにデータを送信するために利用されます。
• 制御コマンドの送信: 診断機器は、X線管、磁石、超音波プローブなどのアクチュエータを制御するために、制御コマンドを送信する必要があります。STM32 CAN は、これらの制御コマンドを機器コントローラからアクチュエータドライバに送信するために利用されます。

設計上の考慮事項:

• 信頼性: 診断機器の誤動作は、誤診につながる可能性があります。STM32 CAN は、エラー検出と回復メカニズムを活用して、データの信頼性を高める必要があります。
• 高速データ転送: 診断機器は、高解像度の画像データを迅速に転送する必要があります。CAN FD は、標準 CAN よりも高速な通信速度をサポートしており、高速データ転送に適しています。
• 低ノイズ: 診断機器は、ノイズの影響を受けやすい信号を扱うため、低ノイズ設計が重要です。STM32 CAN は、低ノイズ設計されており、診断機器での使用に適しています。

事例 3: 医療用モニター

医療用モニターは、心電図、血圧、酸素飽和度など、患者の生理学的データを監視するために使用されます。STM32 CAN は、これらのモニター間でのデータ交換を効率的に行うために利用されます。

• データ共有: 複数の医療用モニターが CAN ネットワークで接続されている場合、各モニターはデータを共有し、包括的な患者の状態を把握できます。
• アラーム管理: 医療用モニターは、患者の状態が異常になった場合にアラームを発生させます。STM32 CAN は、これらのアラーム情報を他のモニターや中央監視システムに送信するために利用されます。
• リモートモニタリング: 医療用モニターは、CAN ネットワークを通じてリモート監視システムに接続され、医師や看護師は患者の状態を遠隔で監視できます。

設計上の考慮事項:

• 信頼性: 医療用モニターの誤動作は、患者の生命に関わる可能性があります。STM32 CAN は、エラー検出と回復メカニズムを活用して、データの信頼性を高める必要があります。
• 省電力: 医療用モニターは、バッテリーで動作することが多いため、消費電力を最小限に抑える必要があります。STM32 MCU は、低消費電力モードを備えており、必要に応じて消費電力を削減できます。
• プライバシー: 医療用モニターは、患者の個人情報を扱うため、プライバシー保護対策を講じる必要があります。STM32 MCU は、暗号化機能を備えており、データのセキュリティを確保できます。

5. その他のアプリケーション

上記以外にも、STM32 CAN は、航空宇宙、海洋工学、エネルギー管理など、さまざまな分野で利用されています。

事例 1: ドローン

ドローンは、監視、輸送、農業など、さまざまな用途で利用されています。STM32 CAN は、以下の目的でドローンに利用されます。

• モーター制御: ドローンの各モーターは、ESC (Electronic Speed Controller) によって制御されます。STM32 CAN は、ドローンコントローラから ESC に制御コマンドを送信するために利用されます。
• センサーデータの収集: ドローンは、GPS、IMU (Inertial Measurement Unit)、気圧センサーなどのセンサーからデータを収集し、自己位置推定や飛行制御を行います。STM32 CAN は、これらのセンサーからドローンコントローラにデータを送信するために利用されます。
• ペイロード制御: ドローンは、カメラ、サーマルセンサー、LiDAR などのペイロードを搭載し、さまざまな情報を収集します。STM32 CAN は、ペイロードとドローンコントローラ間の通信に使用されます。

事例 2: マリンエレクトロニクス

船舶は、エンジン、発電機、航海機器、安全装置など、さまざまな電子機器を搭載しています。STM32 CAN は、これらの機器間でのデータ交換を効率的に行うために利用されます。

• NMEA 2000: NMEA 2000 は、船舶用電子機器間の通信規格であり、CAN を物理層として使用しています。STM32 CAN は、NMEA 2000 ネットワークにおけるデータ伝送に使用されます。
• エンジン監視: 船舶のエンジンは、さまざまなセンサーによって監視されており、そのデータはエンジンコントローラに送信されます。STM32 CAN は、これらのセンサーからエンジンコントローラにデータを送信するために利用されます。
• 航海機器との連携: 船舶の航海機器（レーダー、GPS、オートパイロットなど）は、CAN ネットワークで連携し、安全な航海を支援します。STM32 CAN は、これらの機器間の通信に使用されます。

事例 3: エネルギー管理システム

エネルギー管理システムは、電力、ガス、水道などのエネルギー消費量を監視し、最適化するために利用されます。STM32 CAN は、以下の目的でエネルギー管理システムに利用されます。

• メーターデータの収集: エネルギーメーターは、電力、ガス、水道などの消費量を測定し、そのデータを中央制御システムに送信します。STM32 CAN は、これらのメーターから中央制御システムにデータを送信するために利用されます。
• デバイス制御: エネルギー管理システムは、照明、空調、暖房などのデバイスを制御し、エネルギー消費量を削減します。STM32 CAN は、中央制御システムからこれらのデバイスに制御コマンドを送信するために利用されます。
• スマートグリッド: スマートグリッドは、電力ネットワークに情報通信技術を導入し、電力の効率的な利用を実現します。STM32 CAN は、スマートグリッドにおけるデータ伝送に使用されます。

6. STM32 CAN の開発環境とツール

STM32 CAN アプリケーションの開発には、以下のツールやリソースが役立ちます。

• STM32CubeIDE: STMicroelectronics が提供する統合開発環境 (IDE) であり、STM32 MCU の開発に必要なすべてのツール（コンパイラ、デバッガー、プログラマなど）が含まれています。
• STM32CubeMX: STM32 MCU の初期設定をGUI 上で行えるツールです。ペリフェラルの設定、クロックの設定、割り込みの設定などを簡単に設定できます。
• HAL (Hardware Abstraction Layer): STM32 MCU のペリフェラルを制御するためのソフトウェアライブラリです。HAL を使用することで、ハードウェアの詳細を意識せずに、簡単にペリフェラルを制御できます。
• ST CAN HAL Driver: STM32 CAN ペリフェラルを制御するための HAL ドライバーです。このドライバーを使用することで、CAN の初期化、メッセージの送受信などを簡単に行えます。
• CAN 分析ツール: CAN ネットワークのデバッグや解析に使用されるツールです。CANalyzer, CANoe などがあります。
• CAN トランシーバ: CAN ネットワークに接続するために必要なトランシーバです。SN65HVD230, MCP2551 などがあります。

7. まとめ

本記事では、STM32 CAN を活用した先進的なアプリケーションの事例を詳細に解説しました。STM32 CAN は、自動車制御、産業オートメーション、医療機器など、幅広い分野で利用されており、それぞれの分野において、高い信頼性、リアルタイム性、省電力性などの要求を満たしています。

STM32 MCU は、豊富なペリフェラル、高性能、低消費電力、そして手頃な価格帯から、CAN 通信機能を必要とするアプリケーションに最適な選択肢です。STM32CubeIDE, STM32CubeMX, HAL などの開発ツールを活用することで、STM32 CAN アプリケーションを効率的に開発できます。

読者の皆様が本記事を通じて、STM32 CAN の可能性を理解し、自身のプロジェクトに効果的に組み込むための知識とインスピレーションを得られることを願っています。

今後の展望

CAN FD (CAN Flexible Data-Rate) の普及により、より高速な CAN 通信が実現可能になり、ADAS や自動運転などの分野での STM32 CAN の活用がさらに進むことが期待されます。また、CAN セキュリティ対策の強化により、自動車のハッキングやサイバー攻撃から保護するための STM32 CAN の役割がますます重要になるでしょう。