車載以太網(wǎng)的原理及故障檢修

呂旭 周遠(yuǎn)芳

摘 要：在車輛電氣系統(tǒng)日益復(fù)雜，車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)流日益增加的今天，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。文章將車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比，對以太網(wǎng)的回音消除技術(shù)和波形特征等物理層特性進(jìn)行了分析，同時對以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。針對車載以太網(wǎng)的特點(diǎn)，對于車載以太網(wǎng)故障診斷上和傳統(tǒng)總線的區(qū)別進(jìn)行了總結(jié)，以為汽車維修從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：車載以太網(wǎng);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(wǎng)絡(luò)概述

伴隨著汽車電子化程度越來越高，車內(nèi)電子元件越來越多，尤其是隨著自動駕駛、輔助駕駛技術(shù)的發(fā)展，車內(nèi)數(shù)據(jù)流越來越多，對總線傳輸速度的要求日益提高，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸無法滿足未來車輛對于數(shù)據(jù)傳輸帶寬以及實(shí)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(lián)盟，開發(fā)了OABR以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸速度可達(dá)100Mbps×2。后來電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）將其標(biāo)準(zhǔn)化，并命名為100BASE-T1，也叫IEEE 802.3bw。

1.1 現(xiàn)有車載總線系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及存在的缺陷

1.1.1 控制器局域網(wǎng)總線CAN

CAN總線，英文全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)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(dāng)前在汽車和工業(yè)上應(yīng)用廣泛。但其較低的傳輸速度已不能滿足車載網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的數(shù)據(jù)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(dá)到2Mbps左右[1]，仍然不能滿足當(dāng)前的需求。

1.1.2 局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)總線LIN

LIN總線，英文為Local Interconnect Network，即局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)總線，是一種低速區(qū)域總線。一般用于模塊與傳感器、執(zhí)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(wǎng)絡(luò)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(chuàng)建的FlexRay聯(lián)盟開發(fā)。2006年底首次在BMWX5中量產(chǎn)，奧迪、奔馳等品牌也陸續(xù)使用，當(dāng)前在線控轉(zhuǎn)向、底盤控制等方面應(yīng)用較為廣泛。FlexRay采用星型和線型混合拓?fù)洌畲髠鬏斔俾蕿?0Mbps，速率較高，對于重要的數(shù)據(jù)可以使用TDMA（Time Division Multiple Access）方法靜態(tài)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳輸車身、底盤、轉(zhuǎn)向的數(shù)據(jù)流，但其速率無法滿足自動駕駛大量的視頻數(shù)據(jù)的傳輸要求。

1.1.4 面向媒體的系統(tǒng)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(tǒng)傳輸總線，采用單根光纖通信，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形，傳輸速率一般為24.8Mbps，最高可達(dá)150Mbps。該總線主要應(yīng)用于汽車多媒體系統(tǒng)，在其他系統(tǒng)中應(yīng)用較少，且由于其為環(huán)形設(shè)計(jì)，系統(tǒng)健壯性較差。

2 車載以太網(wǎng)概述

隨著汽車智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，車載娛樂系統(tǒng)的發(fā)展，云服務(wù)、遠(yuǎn)程診斷、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有總線難以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。車載以太網(wǎng)作為一種高寬帶、易擴(kuò)展、且與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)底層技術(shù)高度兼容，同時又可以滿足車載網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)苛的法規(guī)要求的總線系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。車載以太網(wǎng)與其他總線技術(shù)相比，具有巨大的優(yōu)勢，解決了當(dāng)前總線系統(tǒng)的技術(shù)問題，而且有潛力發(fā)展為1000M車載網(wǎng)絡(luò)，未來發(fā)展前景光明。

車載以太網(wǎng)在協(xié)議層上和傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是兼容的，但是物理層有較大的區(qū)別。下面我們對車載以太網(wǎng)的特點(diǎn)，以及其與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)、傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別進(jìn)行分析。

2.1 車載以太網(wǎng)物理層特性

2.1.1 車載以太網(wǎng)回音消除的原理

傳統(tǒng)的百兆以太網(wǎng)使用2對雙絞線共4條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)各2條線，而車載以太網(wǎng)通過使用回音消除的技術(shù)，只使用1對雙絞線就可以完成雙向100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。

在與車載以太網(wǎng)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(wǎng)中，雙絞線兩端的PHY會同時以相同頻率發(fā)出信號，因此接受到的信號中，會混合對方發(fā)來的信號和自身發(fā)出的信號。所謂回聲消除技術(shù)就是從混合信號中去除自身發(fā)出的信號。

PHY內(nèi)部有4個模塊，一個信號發(fā)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(fā)射模塊發(fā)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(nèi)部，信號發(fā)射模塊發(fā)出的信號被取反，即+1V變成-1V，-1V變成+1V。同時，PHY發(fā)出的信號和收到的信號在信號混合模塊內(nèi)混合在一起，和取反后的發(fā)出信號混合，發(fā)出的信號和取反后的發(fā)出信號互相抵消，就得到了對方PHY發(fā)出的信號。

2.1.2 車載以太網(wǎng)波形特征

搭載車載以太網(wǎng)的控制單元，通過一個標(biāo)準(zhǔn)化的名為MII（與介質(zhì)無關(guān)的接口）的接口與PHY通信。MII的信號頻率是25MHz，每個周期發(fā)送4bit的數(shù)據(jù)，傳輸速度為25MHz×4bit=100Mbit/s。在PHY內(nèi)部，則會將這個25MHz/4bit的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為33.3MHz/3bit的數(shù)據(jù)，這樣就得到了3bit一組的數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)化為bit數(shù)據(jù)。

因此，在車載以太網(wǎng)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(shí)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(tǒng)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(wǎng)高線（ETH_H）和接地之間的波形，紅色為以太網(wǎng)低線（ETH_L）和接地線之間的波形。從圖中可以看到，以太網(wǎng)高線和低線之間的電壓永遠(yuǎn)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?yàn)檫@樣以來的話，2條線的電磁干擾就可以相互抵消，防止因?yàn)楦哳l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(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與CAN總線的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，車載以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形，與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)類似，都使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有的控制單元都通過2線插頭與車載以太網(wǎng)交換機(jī)相連接。

在車載以太網(wǎng)中，控制單元之間無法直接通訊，數(shù)據(jù)都需要經(jīng)由以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。有些車輛上，部分控制單元連接在子交換機(jī)上，由子交換機(jī)二次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，形成樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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

3 車載以太網(wǎng)在故障診斷上和CAN總線的區(qū)別

3.1 測量上的區(qū)別

傳統(tǒng)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(wǎng)的波形是在0V上下波動的高頻波形，如果使用萬用表進(jìn)行測量，測出的電壓是0V。

因此，判斷車載以太網(wǎng)信號是否正常，只能使用示波器進(jìn)行波形測量，無法使用萬用表進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同造成的故障現(xiàn)象不同

CAN總線是一種線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有的模塊都并聯(lián)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(diǎn)斷路，也會造成整條總線癱瘓。

以太網(wǎng)是一種星形/樹形結(jié)構(gòu)，每個模塊都用單獨(dú)的線束和交換機(jī)相連接。某個模塊的線路發(fā)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(jié)語

在5G時代來臨，自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)日益普及的今天，車載以太網(wǎng)必將得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。汽車維修從業(yè)人員，有必要研究車載以太網(wǎng)的特性，為維修車載以太網(wǎng)相關(guān)故障打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊福宇.有關(guān)CAN FD的評論[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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.