車載以太網的原理及故障檢修

呂旭 周遠芳

摘 要：在車輛電氣系統日益復雜，車輛內部數據流日益增加的今天，傳統的車載網絡已經無法滿足數據傳輸的需要。文章將車載以太網與傳統的車載網絡進行了對比，對以太網的回音消除技術和波形特征等物理層特性進行了分析，同時對以太網拓撲結構進行了分析。針對車載以太網的特點，對于車載以太網故障診斷上和傳統總線的區別進行了總結，以為汽車維修從業人員提供參考。

關鍵詞：車載以太網;測量和診斷

Abstract： With the increasing complexity of vehicle electrical systems and the increasing data flow within vehicles， traditional vehicle-mounted networks have been unable to meet the needs of data transmission. This paper compares the vehicle-mounted Ethernet with the traditional vehicle-mounted network， analyzes the physical layer characteristics such as Ethernet's echo cancellation technology and waveform characteristics， and analyzes the Ethernet topology. According to the characteristics of in-vehicle Ethernet， the differences between the in-vehicle Ethernet fault diagnosis and the traditional bus are summarized to provide a reference for automotive maintenance practitioners.

Keywords： In-vehicle Ethernet; Measurement and diagnosis

1 車載總線網絡概述

伴隨著汽車電子化程度越來越高，車內電子元件越來越多，尤其是隨著自動駕駛、輔助駕駛技術的發展，車內數據流越來越多，對總線傳輸速度的要求日益提高，傳統的車載網絡已經逐漸無法滿足未來車輛對于數據傳輸帶寬以及實時性的需求。

在這種背景下，博通公司（Broadcom）、寶馬等公司組建了Open Alliance聯盟，開發了OABR以太網技術，傳輸速度可達100Mbps×2。后來電氣電子工程師學會（IEEE）將其標準化，并命名為100BASE-T1，也叫IEEE 802.3bw。

1.1 現有車載總線系統技術特點及存在的缺陷

1.1.1 控制器局域網總線CAN

CAN總線，英文全稱為Controller Area Network，即控制器局域網總線，最早由博世公司（Bosch）定義。分為500kbps高速通信和100kbps低速通信兩種，當前在汽車和工業上應用廣泛。但其較低的傳輸速度已不能滿足車載網絡當前的數據傳輸需求。即便是CAN總線的升級版CAN FD總線，傳輸速度也只能達到2Mbps左右[1]，仍然不能滿足當前的需求。

1.1.2 局域互聯網絡總線LIN

LIN總線，英文為Local Interconnect Network，即局域互聯網絡總線，是一種低速區域總線。一般用于模塊與傳感器、執行器之間的連接，最大傳輸速率僅為19.2kbps。只能作為輔助總線存在，使用范圍有限。

1.1.3 高速容錯網絡總線FlexRay

FlexRay總線在2000年由戴姆勒、寶馬、摩托羅拉、飛利浦共同創建的FlexRay聯盟開發。2006年底首次在BMWX5中量產，奧迪、奔馳等品牌也陸續使用，當前在線控轉向、底盤控制等方面應用較為廣泛。FlexRay采用星型和線型混合拓撲，最大傳輸速率為10Mbps，速率較高，對于重要的數據可以使用TDMA（Time Division Multiple Access）方法靜態發送，實現實時傳輸車身、底盤、轉向的數據流，但其速率無法滿足自動駕駛大量的視頻數據的傳輸要求。

1.1.4 面向媒體的系統傳輸總線 MOST

MOST總線，英文全稱為Media Oriented Systems Transport，即面向媒體的系統傳輸總線，采用單根光纖通信，拓撲結構為環形，傳輸速率一般為24.8Mbps，最高可達150Mbps。該總線主要應用于汽車多媒體系統，在其他系統中應用較少，且由于其為環形設計，系統健壯性較差。

2 車載以太網概述

隨著汽車智能化、網絡化的發展，車載娛樂系統的發展，云服務、遠程診斷、大數據等新興技術的發展，現有總線難以滿足數據傳輸的需求。車載以太網作為一種高寬帶、易擴展、且與現有互聯網底層技術高度兼容，同時又可以滿足車載網絡嚴苛的法規要求的總線系統應運而生。車載以太網與其他總線技術相比，具有巨大的優勢，解決了當前總線系統的技術問題，而且有潛力發展為1000M車載網絡，未來發展前景光明。

車載以太網在協議層上和傳統的以太網是兼容的，但是物理層有較大的區別。下面我們對車載以太網的特點，以及其與傳統的以太網、傳統車載網絡的區別進行分析。

2.1 車載以太網物理層特性

2.1.1 車載以太網回音消除的原理

傳統的百兆以太網使用2對雙絞線共4條線進行數據傳輸，上行數據和下行數據各2條線，而車載以太網通過使用回音消除的技術，只使用1對雙絞線就可以完成雙向100Mbps的數據傳輸。

在與車載以太網相連的控制單元通過PHY物理層接口（Physical Layer）與雙絞線相連。在車載以太網中，雙絞線兩端的PHY會同時以相同頻率發出信號，因此接受到的信號中，會混合對方發來的信號和自身發出的信號。所謂回聲消除技術就是從混合信號中去除自身發出的信號。

PHY內部有4個模塊，一個信號發射模塊，一個信號接收模塊，一個信號混合模塊，一個回聲消除模塊。信號發射模塊發出信號后，同時傳遞給回聲消除模塊和信號混合模塊。在回聲消除器內部，信號發射模塊發出的信號被取反，即+1V變成-1V，-1V變成+1V。同時，PHY發出的信號和收到的信號在信號混合模塊內混合在一起，和取反后的發出信號混合，發出的信號和取反后的發出信號互相抵消，就得到了對方PHY發出的信號。

2.1.2 車載以太網波形特征

搭載車載以太網的控制單元，通過一個標準化的名為MII（與介質無關的接口）的接口與PHY通信。MII的信號頻率是25MHz，每個周期發送4bit的數據，傳輸速度為25MHz×4bit=100Mbit/s。在PHY內部，則會將這個25MHz/4bit的數據，轉化為33.3MHz/3bit的數據，這樣就得到了3bit一組的數據。3bit一共有8中可能性，PHY將這8種可能性用1V、0V、-1V的電壓來代表，通過雙絞線傳輸給另一個PHY。接收方的PHY在做了回聲消除之后，再用相反的方法將電壓變化轉化為bit數據。

因此，在車載以太網的兩條信號線之間的電壓為-1V、0V、1V，3種可能，考慮到信號疊加的問題，實際測得的電壓-2V、-1V、0V、1V、2V，5中可能。

以上說的電壓和波形，是2條線路之間的電壓。如果按照傳統的測量總線的方法，測量單線和接地之間的電壓的話，波形如下：

圖中綠色為以太網高線（ETH_H）和接地之間的波形，紅色為以太網低線（ETH_L）和接地線之間的波形。從圖中可以看到，以太網高線和低線之間的電壓永遠是反相的，即高線為1V，低線則為-1V;如果高線為-0.5V，低線則為0.5V。這是因為這樣以來的話，2條線的電磁干擾就可以相互抵消，防止因為高頻信號對其他線路造成干擾。

因此，單個PHY在單條線路上的電壓可能為0.5V、0V、-0.5V。以EHT_H的電壓為0.5V為例，2條線之間的相對電壓為：0.5-（-0.5）=1V。

2.1.3 車載以太網拓撲結構

與CAN總線的線性拓撲結構不同，車載以太網的拓撲結構為星形，與傳統的以太網類似，都使用星形拓撲結構，所有的控制單元都通過2線插頭與車載以太網交換機相連接。

在車載以太網中，控制單元之間無法直接通訊，數據都需要經由以太網交換機進行轉發。有些車輛上，部分控制單元連接在子交換機上，由子交換機二次轉發數據，形成樹狀拓撲結構。

以寶馬G12車型（7系）為例，ZGM中央網關模塊集成在BDC主域控制器內部，作為車載以太網的主交換機，連接了大部分控制單元。HU-H高級主機作為子交換機，也連接了部分控制單元。

3 車載以太網在故障診斷上和CAN總線的區別

3.1 測量上的區別

傳統的CAN總線既可以用示波器測量波形，也可以用萬用表測量電壓。而車載以太網的波形是在0V上下波動的高頻波形，如果使用萬用表進行測量，測出的電壓是0V。

因此，判斷車載以太網信號是否正常，只能使用示波器進行波形測量，無法使用萬用表進行電壓測量。用萬用表測得線路電壓為0V，無法說明通訊與否。

3.2 拓撲結構不同造成的故障現象不同

CAN總線是一種線型拓撲結構，所有的模塊都并聯在共同的2條線上。以PT-CAN為例，只要有一個模塊短路，就會使得整條總線故障，總線上的所有模塊都無法通訊。只要總線有一點斷路，也會造成整條總線癱瘓。

以太網是一種星形/樹形結構，每個模塊都用單獨的線束和交換機相連接。某個模塊的線路發生短路或者斷路的問題，只會使得該模塊無法通訊，不會影響其他模塊。

4 結語

在5G時代來臨，自動駕駛和車聯網日益普及的今天，車載以太網必將得到更加廣泛的推廣和應用。汽車維修從業人員，有必要研究車載以太網的特性，為維修車載以太網相關故障打下良好的基礎。

參考文獻

[1] 楊福宇.有關CAN FD的評論[J].單片機與嵌入式系統應用，2012， 12（7）：34-36，40. DOI：10.3969/j.issn.1009-623X.2012.07.014.

[2] Porter D. 100BASE-T1 Ethernet： the evolution of automotive networ -king[J]. Texas Instruments， Techn. Ber， 2018.