自 動 車

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

On-vehicle Compact and Lightweight Multi-channel Central Gateway
Unit
＊宮下之宏

安川博

黒崎郁之助

松尾智貴

堀端啓史

小林直人

Yukihiro Miyashita

Tomoki Matsuo

Hiroshi Yasukawa

Ikunosuke Kurosaki

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（ECU：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
ECU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CAN（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セントラル
ゲートウェイECU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ECUを接続する場合も通信設計をシンプルにできる。セントラルゲートウェイECUは車載LANの核となるECU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 ECUs (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 ECU that connected two different
networks, making vehicle communication design complicated. We developed a central gateway ECU that is equipped with six
network interfaces to relay communication data between channels. This central gateway ECU secures the independence ofrespective systems, resulting in a simple communication design even with many ECUs being connected. The central gateway
ECU, the main ECU for the in-vehicle LAN, allows Sumitomo Electric Industries, Ltd. to offer vehicle infrastructure systems incombination with wiring harnesses and junction boxes.
キーワード：セントラルゲートウェイ、車載LAN、CAN（Controller Area Network）

1.

緒

言

自動車の電子制御化が進むにつれ、多数のECUが車載CANLAN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。

CAN車載LANではCAN（1）と呼ばれる通信プロトコルが使われている。CANのネットワークトポロジーはバス型であCANり、1つのバス（通信線）に接続できるECU数は通信信号

最大16ECU／バス

ECU
・・・

2ch
GW ECU

ECU・・・

2ch
GW ECU2ch
GW ECUCAN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ECUが搭載されている車種もあるが、この制約のため複数のCANバスを搭載す

図1

ECU
・・・

機能の
増 加 に伴 い
CANを増 設ECU・・・

機能アドオン型ネットワーク

る必要がある。
これまではECUの増加に伴い、2つのCAN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ECU（2ch
GW ECU）を使ってネットワークを増設してきた。本稿で2.

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

2－1と呼ぶ（図1）。

機能アドオン型からシステム別LANへの移行
機能アドオン型ネットワークにおける課題

CAN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ECUがメッセージを送信してから受信ECU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

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されている他ECUの送信メッセージの影響を受ける。

どのシステム別LANを構成することが考えられる。

例えば図2のような機能アドオン型ネットワークでは、システム別LANでは、ECU数が増加してもバス間の中ECU1が送信したCANメッセージをECU6が受信するま継は最大1段なので、各ECU間の通信遅延時間は2バス間でに3個のGW ECUを経由し、各バス毎に他ECUの送信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

メ ッ セ ー ジ の 影 響 を 受 け る。 そ の た め、 車 両 全 体 で 各課題（1）を解決できる。

ECU間の通信遅延時間の要件（メッセージごとに異なるがまた、ECUの新規追加や既存ECUのメッセージ送信条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計するのは非常に困難である。

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、また、機能アドオン型ネットワークでは、ECUを新規追 加 し た り 既 存 のECUの メ ッ セ ー ジ 送 信 条 件 が 変 わ る

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。と、他のECU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）。
ECU

ECU2

ECU3

ECU2,3の影 響 を受 ける

・・・

CAN
ECU52chGWECU

ECU4,5の影 響 を受 ける

CAN2chGW ECU

制御系

ボディ系
CAN・・・

安全系
CAN・・・

通 信遅 延時 間の要 件 を満 たす
設 計 が困 難2ch
GW ECU

ECU

CAN

ECU1
セントラルGW

ECU4・・・

情報系
CAN

図4

ECU6

セントラルGWによるシステム別LANの構成

CAN

図2

機能アドオン型ネットワークでの課題（1）

2－3

カーメーカー各社の動向

セントラルゲートウェイおよびシステム別LANの導入
ECU2

ECU1

ECU3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ECU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セントラルゲートウェイおよびシステム

CAN
ECU4CAN

ECU5

2ch
GW
ECU

ECU5の追加、変更がECU1→ECU6
ECU2→ECU6
ECU3→ECU6
ECU4→ECU6
全ての通信遅延
時間に影響する

2ch
GW ECUCAN
2ch
GW ECUECU6CAN別LANの導入が進んでいる。

3.

セントラルゲートウェイECUの開発

カーメーカーや車種によりセントラルゲートウェイ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

図3

機能アドオン型ネットワークでの課題（2）して、CANを6チャンネル持つセントラルゲートウェイの開発を行った。
本章では開発したセントラルゲートウェイの機能・特徴について記す。

2－2

セントラルゲートウェイECUによる課題解決

3－1

中継機能

これらの課題を解決する方法として、図4のような複数のセントラルゲートウェイの主機能はCANバス間でメッCAN通信チャンネルを持つセントラルゲートウェイECUセージを中継することであり、代表的なものとして、①逐（以降、単にセントラルゲートウェイ、セントラルGWと記次中継、②周期変換中継、③データ組替中継 の3種類の述する場合もある）を導入し、制御・ボディ・安全・情報な中継機能を持つ。

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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

①逐次中継その場合、図7のようにセントラルゲートウェイがデータ車載LANの通信では、エンジン回転数など絶えず変化を組み替えて中継することで中継先バスのCANメッセー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ジ数を減らせるため、中継先バスのバス負荷及び受信ECU信することが多い。また、通信量を減らすために1つのの処理負荷を軽減することができる。

CAN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。

車載LANではCAN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逐次中継では、受信したCANメッセージの周期もデーある。

タの内容も変えず、受信後ただちに中継先のCANバスに送信する（図5）。このとき1つのCANメッセージを複数のCANバスに送信することも可能である。
ﾃﾞｰﾀA ﾃﾞｰﾀB ﾃﾞｰﾀC
周期：50ミリ秒

CAN

周期：50ミリ秒

ﾃﾞｰﾀA ﾃﾞｰﾀD
CAN

ﾃﾞｰﾀA ﾃﾞｰﾀB ﾃﾞｰﾀC

ﾃﾞｰﾀA ﾃﾞｰﾀB ﾃﾞｰﾀC

CANﾒｯｾｰｼﾞ

周期・データ内容の変換なし

CAN

セントラル
ゲートウェイ

図5

ﾃﾞｰﾀD ﾃﾞｰﾀE
CAN

CAN

セントラル
ゲートウェイ

逐次中継

図7

3－2

②周期変換中継

データ組替中継通信遅延時間とバッファ構造

メッセージによっては、中継元では短い周期でのデータ

CANメッセージはそれぞれIDを持っており、同じバス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内 で 送 信 タ イ ミ ン グ が 重 な っ た 場 合、IDの 小 さ い メ ッものがある。中継先ではデータ更新が長くてよいメッセー

セージが優先して送信される（図8）。これはCANプロト

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

コルの仕様であり、この仕組みをアービトレーション（調ためECU間の通信遅延時間を小さくできるメリットがある。

停）と呼ぶ。

これに対応できるよう、セントラルゲートウェイは図6のように中継時に周期変換を行う機能を持つ。

周 期 ：50ミリ秒

周 期 ：100ミリ秒（2回 に1回 中 継）

ﾃﾞｰﾀA ﾃﾞｰﾀB ﾃﾞｰﾀC

ﾃﾞｰﾀA ﾃﾞｰﾀB ﾃﾞｰﾀC

CAN

セントラルゲートウェイ

図6

CAN

ECU
CAN
ﾒｯｾｰｼﾞECU
CAN
ﾒｯｾｰｼﾞECU
CAN
ﾒｯｾｰｼﾞ

ID=20

ID=10

ID=30

ｱｰﾋﾞﾄﾚｰｼｮﾝに勝ち送信される

図8

CAN

CANのアービトレーション

周期変換中継CAN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。
③データ組替中継

セントラルゲートウェイでCANメッセージを中継する

前述のように1つのCANメッセージには複数のデータが場合、受信したメッセージをいったん中継用バッファに保格納されているが、中継先のECUは1つのCANメッセー存するが、バッファの構造によっては優先度の低いメッ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。

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

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間、優先度の高いメッセージが待たされ、通信遅延時間の診断用コネクタに接続した故障診断ツールからセントラル要件を満たせないということが発生する（図9）。

ゲートウェイ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、セントラルゲー
トウェイは故障診断ツールとCAN通信を行う。故障診断

CANメッセージ

ID=50

ID=10
中継用ﾊﾞｯﾌｧ

CAN
ID=30

図9

ID=80

ID=20

CAN

ツールは、車外機器のため、その通信においては情報セ

ｱｰﾋﾞﾄ
ﾚｰｼｮﾝ
負け

キュリティを確保する必要がある。その対応として、センCAN

3－4

共通機能と固有機能の分離中継機能では、各CANメッセージをどのように中継する
ID=60

セントラル
ゲートウェイトラルゲートウェイがファイアウォールの役目を果たす。

ECU

CANアービトレーションの中継への影響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

表1

共通機能と固有機能の分離

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共通／固有機能車両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。

中継機能

逐次中継

○

周期変換中継○データ組替中継○

カーメーカー固有
車種共通

ルーティングマップ○

が容易となった。
中継以外の機能

車種固有○

ウェイクアップ／スリープ制御

これにより、異なるカーメーカーの様々な車種への対応
3－3

共通

故障診断

○

プログラム書換え○

情報セキュリティ○①ウェイクアップ／スリープ制御
セントラルゲートウェイには、CAN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。

3－5

小型・軽量化

今回開発したセントラルゲートウェイは、以前に開発し車両駐車時のバッテリ消費を抑制するため、エンジン停た2チャネルゲートウェイに対してCANを4チャンネル追止後に一定時間CANメッセージを受信しないなど特定の条加しているが、厳しい車載品質を確保したうえで、①表面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小型電子る。また、スリープ状態でエンジン始動やCANメッセージ部品の採用、③基板の多層化などを行い、従来サイズ比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27％減（基板面積比）の79mm×55mm×18mm、質量する。

比23％減の42gを達成した（図10）。

セントラルゲートウェイは、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）

79mm

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。

18mm55mm③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

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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

図10

セントラルゲートウェイのサイズ

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セントラルゲートウェイを

参 考 文 献（1） ISO 11898-1：2015, Road vehicles -- Controller area network（CAN）--, Part 1： Data link layer and physical signaling

開発することができた。

4.

今

後

執車の高機能化・自動運転化に向けて、車載通信の面では

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

安川博

：住友電装㈱グループ長

電子第4設計部

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㈱主席

制御システム設計部

堀端啓史：㈱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

小林直人：㈱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

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：㈱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

化としては、従来のCAN 500kbit/sを5Mbit/s程度まで（1）高速化できるCAN-FD（CAN with Flexible Data rate）

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 セ ン ト ラ ル ゲ ー ト ウ ェ イ 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。

車内

車外

ECU

故障診断ツール
情報セキュリティ機能

CAN

ECU
LTE/WiFi

サーバ

・・・

CAN

ECU

CAN
-FD
(高速CAN)・・・
ECU

スマートフォン

Ethernet
セントラルゲートウェイ

図11

5.

結----------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

次世代セントラルゲートウェイ

言

今回、小型・軽量で車種バリエーションに対応しやすいCAN 6チャンネルのセントラルゲートウェイを開発した。
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セントラルゲートウェイの開発を進めていく。

・Ethernet は XeroxCorporation の登録商標です。

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