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关于车载以太网的故障诊断及拓扑结构分析
摘要：在车辆电气系统日益复杂，车辆内部数据流日益增加的今天，传统的车载网络已经无法满足数据传输的需要。文章将车载以太网与传统的车载网络进行了对比，对以太网的回音消除技术和波形特征等物理层特性进行了分析，同时对以太网拓扑结构进行了分析。针对车载以太网的特点，对于车载以太网故障诊断上和传统总线的区别进行了总结，以为汽车维修从业人员提供参考。
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1、车载总线网络概述
伴随着汽车电子化程度越来越高，车内电子元件越来越多，尤其是随着自动驾驶、辅助驾驶技术的发展，车内数据流越来越多，对总线传输速度的要求日益提高，传统的车载网络已经逐渐无法满足未来车辆对于数据传输带宽以及实时性的需求。
在这种背景下，博通公司（Broadcom）、宝马等公司组建了Open Alliance联盟，开发了OABR以太网技术，传输速度可达100Mbps×2。后来电气电子工程师学会（IEEE）将其标准化，并命名为100BASE-T1，也叫IEEE802.3bw。
1.1现有车载总线系统技术特点及存在的缺陷
1.1.1控制器局域网总线CAN
CAN总线，英文全称为Controller Area Network，即控制器局域网总线，最早由博世公司（Bosch）定义。分为500kbps高速通信和100kbps低速通信两种，当前在汽车和工业上应用广泛。但其较低的传输速度已不能满足车载网络当前的数据传输需求。即便是CAN总线的升级版CANFD总线，传输速度也只能达到2Mbps左右[1]，仍然不能满足当前的需求。
1.1.2局域互联网络总线LIN
LIN总线，英文为LocalInterconnect Network，即局域互联网络总线，是一种低速区域总线。一般用于模块与传感器、执行器之间的连接，最大传输速率仅为19.2kbps。只能作为辅助总线存在，使用范围有限。
1.1.3高速容错网络总线FlexRay
FlexRay总线在2000年由戴姆勒、宝马、摩托罗拉、飞利浦共同创建的FlexRay联盟开发。2006年底首次在BMWX5中量产，奥迪、奔驰等品牌也陆续使用，当前在线控转向、底盘控制等方面应用较为广泛。FlexRay采用星型和线型混合拓扑，最大传输速率为10Mbps，速率较高，对于重要的数据可以使用TDMA方法静态发送，实现实时传输车身、底盘、转向的数据流，但其速率无法满足自动驾驶大量的视频数据的传输要求。
1.1.4面向媒体的系统传输总线MOST
MOST总线，英文全称为Media Oriented Systems Transport，即面向媒体的系统传输总线，采用单根光纤通信，拓扑结构为环形，传输速率一般为24.8Mbps，最高可达150Mbps。该总线主要应用于汽车多媒体系统，在其他系统中应用较少，且由于其为环形设计，系统健壮性较差。
2、车载以太网概述
随着汽车智能化、网络化的发展，车载娱乐系统的发展，云服务、远程诊断、大数据等新兴技术的发展，现有总线难以满足数据传输的需求。车载以太网作为一种高宽带、易扩展、且与现有互联网底层技术高度兼容，同时又可以满足车载网络严苛的法规要求的总线系统应运而生。车载以太网与其他总线技术相比，具有巨大的优势，解决了当前总线系统的技术问题，而且有潜力发展为1000M车载网络，未来发展前景光明。
车载以太网在协议层上和传统的以太网是兼容的，但是物理层有较大的区别。下面我们对车载以太网的特点，以及其与传统的以太网、传统车载网络的区别进行分析。
2.1车载以太网物理层特性
2.1.1车载以太网回音消除的原理
传统的百兆以太网使用2对双绞线共4条线进行数据传输，上行数据和下行数据各2条线，而车载以太网通过使用回音消除的技术，只使用1对双绞线就可以完成双向100Mbps的数据传输。
在与车载以太网相连的控制单元通过PHY物理层接口（PhysicalLayer）与双绞线相连。在车载以太网中，双绞线两端的PHY会同时以相同频率发出信号，因此接受到的信号中，会混合对方发来的信号和自身发出的信号。所谓回声消除技术就是从混合信号中去除自身发出的信号。
PHY内部有4个模块，一个信号发射模块，一个信号接收模块，一个信号混合模块，一个回声消除模块。信号发射模块发出信号后，同时传递给回声消除模块和信号混合模块。在回声消除器内部，信号发射模块发出的信号被取反，即+1V变成-1V,-1V变成+1V。同时，PHY发出的信号和收到的信号在信号混合模块内混合在一起，和取反后的发出信号混合，发出的信号和取反后的发出信号互相抵消，就得到了对方PHY发出的信号。
图1回音消除技术原理图
2.1.2车载以太网波形特征
搭载车载以太网的控制单元，通过一个标准化的名为MII（与介质无关的接口）的接口与PHY通信。MII的信号频率是25MHz，每个周期发送4bit的数据，传输速度为25MHz×4bit=100Mbit/s。在PHY内部，则会将这个25MHz/4bit的数据，转化为33.3MHz/3bit的数据，这样就得到了3bit一组的数据。3bit一共有8中可能性，PHY将这8种可能性用1V、0V、-1V的电压来代表，通过双绞线传输给另一个PHY。接收方的PHY在做了回声消除之后，再用相反的方法将电压变化转化为bit数据。
表14bit信号到电压的转化过程
图2差分电压信号
因此，在车载以太网的两条信号线之间的电压为-1V、0V、1V,3种可能，考虑到信号叠加的问题，实际测得的电压-2V、-1V、0V、1V、2V,5中可能。
图3在宝马G12车型上实测的以太网波形
以上说的电压和波形，是2条线路之间的电压。如果按照传统的测量总线的方法，测量单线和接地之间的电压的话，波形如下：
图中绿色为以太网高线（ETH＿H）和接地之间的波形，红色为以太网低线（ETH＿L）和接地线之间的波形。从图中可以看到，以太网高线和低线之间的电压永远是反相的，即高线为1V，低线则为-1V；如果高线为-0.5V，低线则为0.5V。这是因为这样以来的话，2条线的电磁干扰就可以相互抵消，防止因为高频信号对其他线路造成干扰。
图4车载以太网单线对地电压
因此，单个PHY在单条线路上的电压可能为0.5V、0V、-0.5V。以EHT＿H的电压为0.5V为例，2条线之间的相对电压为：0.5-(-0.5)=1V。
2.1.3车载以太网拓扑结构
与CAN总线的线性拓扑结构不同，车载以太网的拓扑结构为星形，与传统的以太网类似，都使用星形拓扑结构，所有的控制单元都通过2线插头与车载以太网交换机相连接。
图5以太网星形拓扑结构
在车载以太网中，控制单元之间无法直接通讯，数据都需要经由以太网交换机进行转发。有些车辆上，部分控制单元连接在子交换机上，由子交换机二次转发数据，形成树状拓扑结构。
图6带有子交换机的树状拓扑结构
以宝马G12车型（7系）为例，ZGM中央网关模块集成在BDC主域控制器内部，作为车载以太网的主交换机，连接了大部分控制单元。HU-H高级主机作为子交换机，也连接了部分控制单元。
图7宝马G12以太网电路图（局部）
3、车载以太网在故障诊断上和CAN总线的区别
3.1测量上的区别
传统的CAN总线既可以用示波器测量波形，也可以用万用表测量电压。而车载以太网的波形是在0V上下波动的高频波形，如果使用万用表进行测量，测出的电压是0V。
因此，判断车载以太网信号是否正常，只能使用示波器进行波形测量，无法使用万用表进行电压测量。用万用表测得线路电压为0V，无法说明通讯与否。
3.2拓扑结构不同造成的故障现象不同
CAN总线是一种线型拓扑结构，所有的模块都并联在共同的2条线上。以PT-CAN为例，只要有一个模块短路，就会使得整条总线故障，总线上的所有模块都无法通讯。只要总线有一点断路，也会造成整条总线瘫痪。
以太网是一种星形/树形结构，每个模块都用单独的线束和交换机相连接。某个模块的线路发生短路或者断路的问题，只会使得该模块无法通讯，不会影响其他模块。
4、结语
在5G时代来临，自动驾驶和车联网日益普及的今天，车载以太网必将得到更加广泛的推广和应用。汽车维修从业人员，有必要研究车载以太网的特性，为维修车载以太网相关故障打下良好的基础。
参考文献：
[1]杨福宇.有关CANFD的评论[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(7):34-36,40.
吕旭,周远芳.车载以太网的原理及故障检修[J].汽车实用技术,2020(12):225-227.
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主管单位：中华人民共合国教育部
主办单位：武汉大学,湖北省数学学会,武汉数学学会
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国际刊号：0255-7797
国内刊号：42-1163/O1
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创刊时间：1981年
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