车载以太网故障诊断原理是怎样的？

Posted 2023-04-13

以太网的名称来源于人们在查明光和电磁波的传播原理之前，认为空气中存在介质“ether”(以太)。发展到现在，该通信技术已如其名称一样，融入了几乎所有场所，通过与多种网络设备连接实现了普及。到2013年，它将迎来40周年的发展历程。该技术规定的是ISO(国际标准化组织)制定的通信功能层级结构—OSI基本参考模型(分7层)中最底层的物理层及其上一层数据链路层。

过去，以太网击退了“FDDI(fiber distributed data interface)”、“ATM(asynchronous transfe mode)”及“100VG-AnyLAN”等并存的竞争技术，凭借绝对性价比、互联性以及高扩展性，席卷了办公室和家庭。而如今，以太网开始导入汽车。

让汽车更开放

随着智能手机与车载设备的联动、云和大数据的运用，以及高级驾驶辅助系统(ADAS)的普及，构筑新电子平台已经成为了新一代汽车的必须条件。而利用车内LAN标准“CAN”逐层连接ECU的现行车载网络无疑将遭遇发展的瓶颈。有业内专家分析，今后要实现的车载网络，或许是把更高速的通信网络作为骨干通信网，信息系统、车体系统、控制系统、安全系统等各自经由网关连接ECU。

而在以前采用的车载LAN技术中，基本采用的都是很难与外部设备及网络服务连接的“封闭标准”。究其原因，则是目前占主流的车载LAN标准“CAN”及其新一代标准“FlexRay”、多媒体数据用高速通信标准“MOST”等都具有浓重的“汽车行业标准、由汽车行业制定、为汽车行业制定”的色彩，注定了其应用的局限性。

但是，以太网因为本身具有的开放性，互联扩展等优势，因而将其导入汽车环境后，除了原来的车载设备以外，与智能手机、平板电脑等多种设备的联动也将变得更加容易。还能轻松利用移动通信来享受网络服务。因此，有业内专家直言，汽车导入以太网受到关注的一大原因便是其中隐含着为车载网络环境带来与IT(信息技术)行业相同的开放环境的可能性。

以太网已于2008年前后开始在车辆故障自我诊断(OBD)用途实现了实用化，而今后会在提高实时性、确保故障时的安全性、降低成本以及提高数据传输速度的同时，进一步扩大应用范围。在普通以太网中，利用电信号使最大数据传输速度达到1GB/秒的标准已经普及。如果能够将这种高速传输技术应用到车载LAN中，高画质高清影像传输，以及在设备之间传输多个外围监控摄像头拍摄的影像等就会变得更加容易。如果以这种影像及语音等信息系统数据传输方面的应用为开端，那么随着发展的深入，以太网的应用范围将会扩大至将车载AV设备的影像传输(信息)系统、车身系统、控制系统、安全系统及信息系统等各个系统的网关连接起来的主干网络。

在工业控制市场，以太网已经证明能够在较大的温度变化范围、剧烈震动、高EMC辐射以及灰尘或潮湿环境等极端条件下实现强劲的性能。此前，麦瑞半导体推出的KSZ8041NLAM单端口快速以太网PHY解决方案可以支持高达125°C的环境温度。而针对汽车市场的需求，新一代以太网设备也大都具备显著改善的ESD(静电放电) 性能。因此，以太网可以很好的适应汽车环境变化。

除此之外，通过Broadcom公司研发的单对非屏蔽双绞线组网，汽车制造商可以替换过去昂贵、笨重的屏蔽电缆，极大地降低互连成本和电缆系统重量。数据表明，BroadR-Reach采用的单对非屏蔽双绞线可以将互连成本显著降低多达80%，并可有效减轻电缆重量30%。单对非屏蔽双绞线除了提高传输速率，降低成本，还可实现电力的传输。

事实上，已在多种用途普及的以太网进入汽车领域并不是只有一种方式。原因在于汽车领域对于网络性能的要求与办公设备及家电用途不同。其中，确保通信实时性和通信发生故障时的可靠性显得尤为重要。因此，车载以太网的大规模运用同样也需先解决技术应用的可靠性和安全性问题。

思科和英特尔等公司于2009 年成立的“AVnu Alliance”就是进行这方面讨论的团体。为了在家庭和汽车内构建高质量视听环境，该团体正在积极推进“IEEE802.1 Audio/VideoBridging(以太网 AVB)”的采用。对于汽车厂商而言，要将家庭用标准应用到车载用途，那么对于车载以太网的改进则成为必然。2011年丰田等企业曾向AVnu联盟提出了车载用途要求的必要条件。AVnu联盟现已根据这些要求，以改善数据链路层为主，讨论为汽车控制系统用途等制定新一代标准。

重要联盟

相比AVnu联盟，在车载以太网的发展过程中，OPEN Alliance SIG联盟扮演着更加举足轻重的角色。早在2011年，作为创始成员，宝马公司和现代汽车公司与Broadcom(博通)公司、恩智浦半导体公司、飞思卡尔半导体公司以及哈曼国际公司成立了一个特别兴趣小组(SIG)—OPEN联盟(One-Pair Ether-Net)，以促进基于以太网的汽车互连的广泛采用。该团体旨在帮助汽车行业改善车内安全性、舒适度以及信息娱乐体验，同时极大地降低网络复杂性和布线成本，并制定车载以太网的相关标准。

两年后的今天，OPEN(One-Pair Ether-Net)Alliance SIG的成员正在迅速增加。截至2013年6月，加盟OPEN Alliance SIG的企业及集团已经超过了140家，而在大约一年前还只有50家左右，数量增加了近两倍。2013年6月，卡特彼勒、标致雪铁龙、丰田、大众、沃尔沃等公司都加入了该团体。该联盟目前并没有准入限制，并且计划在未来数月内增加更多汽车供应商和制造商成员。OPEN Alliance SIG迅速壮大的背景实际上就是汽车行业开始朝着使用车载以太网的方向转舵的信号。

OPEN Alliance SIGBroadcom联盟创始成员，同时也是目前处于全球以太网市场领导地位的Broadcom公司表示，汽车市场将是Broadcom继基础设施和网络(包括个人PC、数据中心等)、手持移动设备(包括手机、平板、蓝牙等设备)、宽带通信市场(以太网)后的第四大重要产品线。根据Broadcom公司汽车网络产品高级产品线经理Timothy Lau提供的数据，汽车半导体的需求从2005年开始不断上升，预计到2014年，全球市场规模可达到250亿美元。

如今，以太网已能够正式进入诸如CAN、LIN、FlexRay和MOST这样的汽车网络行列，而其幕后推手便就是OPEN联盟旗下的Broadcom、飞思卡尔以及BMW公司为代表的成员。现在，它正在促进100Mbps以太网互连作为汽车网络应用标准，同时推动博通BroadR-Reach以太网解决方案在下一代汽车网络内得到大规模的应用。

据悉，Broadcom将按照OPEN AllianceSIGBroadcom联盟RAND条款提供BroadR-Reach规范的使用许可，所有感兴趣的OPEN联盟成员都可获得使用该规范的许可证，支持以太网的宝马汽车早在2008年便开始上市，而其2013年法兰克福车展推出的新款X5车型已经采用该技术。宝马还在进行提高车载以太网的最大数据传输速度的研究，计划2018年将现行的100Mbps的速度提高至1Gbps。

BroadR-Reach是Broadcom公司近期推出的系列汽车解决方案，共有5种产品：包括配备4种物理层的7端口“BCM89500”、配备5种物理层的7端口“BCM89501”、配备2种物理层的4端口“BCM89200”、单端口“BCM89810”、配备支持10/100/1000BASE-T物理层的“BCM89610”。

采用该系统的首家汽车半导体供应商便是OPEN联盟成员恩智浦(NXP)公司，并为该系统提供收发器(PHY)。BroadR-Reach技术专为满足汽车行业的严格需求而设计，通过单对非屏蔽双绞线提供高性能的100Mbps带宽。由于无需布设昂贵、笨重的屏蔽电缆，汽车制造商可以极大地降低互连成本和电缆系统重量。

而非OPEN联盟中，瑞萨电子公司也早在2011年6月8日宣布推出了六个新型第四代(X4代)、基于V850系列的S系列微控制器(MCU)，该微控制器同时支持以太网以及MOST网络。

由于多种行业都参与技术开发，车载以太网正在走向普及。据OPEN联盟的规划，以太网将于2014年被用于车载AV(视听)设备，2015年以后开始应用于主干网络，以太网在车载LAN中的存在感将不断提高。

另一方面，车载以太网的应用除了可靠性、安全性，与所有电子设备一样，以太网的汽车电气设备也要面临的一项最严峻挑战，便是目前行业对电磁干扰(EMI)性能的严格要求。信号传输速度伴随数据速度的增长，也变得越来越快，这会导致更高的能量排放。行业面临的第一个挑战是要设定以太网技术的排放限值和所需带宽。就视频和相机成像传输来说，以BroadR-Reach技术为代表，有关100Mbps快速以太网是否真正够用，或者是否需要推进千兆以太网数据传输速度，目前业界仍然存有争议。

(本文转自电子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/1028/article_8088.html)追问

谢谢啊！不过以太网与车载诊断之间到底是一个怎样的关系呢？车载以太网故障诊断原理是怎样的？

参考技术A 就是总系统的文件丢失率比较高 所以容易接受出问题~!! 参考技术B 这个没用过不好胡说

车载以太网（上）

参考技术A 车载以太网的出现背景楼主就不多做赘述了，其实主要是因汽车E/E架构和功能的复杂度提升而带来的对车辆数据传输带宽提高和通讯方式改变（基于服务的通讯-SOA）的需求。

就目前汽车总线的应用情况，成本低、可靠性高、应用普遍的有Lin、CAN通讯，CAN FD也是最近几年才逐渐得到应用，而FlexRay、车载Ethernet等基于成本因素，目前主要在高端车型中使用。

其中楼主之前介绍的FlexRay后续得到普遍应用的可能性楼主认为不是很大，首先成本方面与车载以太网差不多而通讯速率又远低于它，而伴随着未来智能化、网联化的趋势，车载Ethernet在未来得到推广的可能性要比FlexRay高很多。需要注意的是CAN FD在市场推广实施还没有几年，第三代CAN总线-CAN XL也即将登场，CAN XL传输速率将达到10Mbit/s，可填补CAN FD和百兆车载以太网（100BASE-T1）之间的鸿沟，从这点也可以看出车载通讯的快速发展及对通讯带宽的越来越高的要求，同时也可从另一方面说明FlexRay的尴尬。当然所有总线的应用都是分所在的域和场景的，例如对于安全要求很高的场合，采用了基于时间触发机制的FlexRay因实时性和确定性更高则更合适。

在车载网络方面，玩家是很多的，也推出了各自的标准，如下：

其中OPEN Alliance和电气与电子工程师协会（IEEE）制定的标准是车载以太网领域比重最大和应用最广泛的，例如我们熟知的100BASE-T1和1000BASE-T1。

自1980年以来，IEEE一直负责以太网的维护、开发和标准化。尽管各个公司都可提供专有的以太网解决方案，但大多数时候公司都会交给IEEE进行标准化以确保更广泛的应用。802工作组则专门负责以太网，因此，所有与以太网相关的标准都以802开头（例如，IEEE 802.1，IEEE 802.2，IEEE 802.3等）。

OPEN Alliance SIG是由汽车制造商和供应商组成的联盟，目的是促进以太网在汽车工业中的进一步发展。OPEN Alliance SIG与IEEE合作，将汽车以太网转换为通用标准。就目前的车载以太网标准方面，主流标准的是如下几个，目前主要是第二个100BASE-T1：用单对双绞线实现100Mbit/s的数据传输，走的靠前的OEM则使用更快的千兆以太网。

OSI七层网络模型（OSI=Open Systems Interconnection）是互联网发展过程中一个很重要的模型。OSI是一个开放性的通信系统互连参考模型，其含义就是建议所有公司使用这个规范来控制网络。只有统一通信规范时，才能实现真正的互联化。OSI 七层模型及通信互联的传输过程，如下图所示：

OSI 七层网络模型是一个理想的网络参考模型， TCP/IP模型 是已经被实际广泛应用于因特网的网络分层模型。 TCP/IP 模型没有对 OSI 的 5~7 层做严格区分，统称为应用层 。

车载以太网是基于 TCP/IP 的网络分层模型 ，并由 OPEN 和 AUTOSAR 等联盟对以太网相关协议进行了规范和补充。

以太网的网络拓扑结构有点对点形式、类似于CAN或LIN的总线形式、链式和星型等形式：

也有由上面几种形式的组合形式：

当然现在多个节点的车载以太网的互联互通需要交换机Switch， Switch的作用 如下：

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由 MAC（Media Access Control）控制器和物理层接口PHY（Physical Layer，PHY） 两大部分构成，如下图所示：

MAC及PHY工作在OSI七层模型的数据链路层和物理层， 如下

PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通的呢？MAC与PHY之间通过两个接口连接，分别为SMI接口和MII接口。

MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口，以太网MAC通过该接口发出数据帧经过PHY后传输到其他网络节点上，同时其他网络节点的数据先经过PHY后再由MAC接收。MII是IEEE-802.3定义的以太网行业标准，MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。 "媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作 。802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的connector特性。

SMI叫串行管理接口，以太网MAC通过该接口可以访问PHY的寄存器，通过对这些寄存器操作可对PHY进行控制和管理。SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以获取PHY的状态）和MDC（为MDIO提供时钟）。MDC由MAC提供，MDIO是一根双向的数据线。用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息。MDIO数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。

由此可见，MAC 和PHY，一个是数据链路层，一个是物理层；两者通过MII传送数据。 因此 Ethernet的接口实质是MAC通过MII总线控制PHY的过程 。

MII接口后续又衍生了很多其他版本，如RMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要介绍其中的MII和RMII，如下图所示。 MII共使用了16根线。其中CRS与COL只在半双工模式有效，而车载以太网固定工作在全双工模式下，故应用在汽车环境需要14根线 。

RMII是精简版的MII，数据发送接收均为两根，相比MII减少了4根，另外它整合或减去了一些线，最终RMII只有8根线RMII的接口如下：

在实际的设计中，以上三部分并不一定独立分开的。由于，PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，通常， 将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外 。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合，可分为下列几种类型:

CPU集成MAC与PHY，目前来说并不多见：

CPU集成MAC，PHY采用独立芯片，这种在车载以太网上是主流方式，因嵌入式芯片厂商一般都将MAC集成在MCU内部，而PHY芯片则由OEM或控制器供应商自己选择：

CPU不集成MAC与PHY，MAC与PHY采用集成芯片。这种在消费用以太网上比较比较常见，如电脑的网卡有这种方式的。

在以太网连接线束上，车载以太网与消费用以太网也是不同的，首先消费用以太网的标准主要采用10BASE-2、10/100BASE-TX和1000BASE-T，其中 1000BASE-T是使用RJ45接口，需要四对双绞线共8根线 进行数据传输，而 10/100BASE-TX则是只使用四对双绞线其中的两对共4根线 进行数据传输，如下是100BASE-TX的示意图（使用了两对双绞线）。

在很早之前的10BASE-2则是同轴电缆进行数据传输，因此消费类以太网采用线束总结如下：

而 车载以太网一般都基本采用带T1的标准 ，如IEEE 100BASE-T1（以前称为OABR）、IEEE 1000BASE-T1，这些都使用 一对双绞线共两根线 进行数据传输：

其次在编码方式上， 1000BASE-T主要采用PAM5 的编码方式：

而 车载以太网100BASE-T1和1000BASE-T1主要采用PAM3 的编码方式。

从上面可知，车载以太网主要采用基于一对双绞线进行数据传输的100BASE-T1或1000BASE-T1标准，而我们电脑则使用RJ45接口采用基于4对双绞线进行数据传输的1000BASE-TX标准，因此当我们用电脑测量控制器以太网时，有时需要转换器，如下：

参考文献：

1、Ethernet introduction（BOSCH、Tektronix、Vector、CSDN等资料）