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汽车乙太网路中的故障排除
 

【作者: Rohde & Schwarz】2019年11月29日 星期五

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为了使驾驶员辅助系统可靠地运作,感测器资料必须不受影响地到达控制单元。感测器和控制单元之间的通讯细节由全新汽车乙太网路标准界定。但是,如果存在讯号传输问题,仅靠乙太网路协定本身进行分析通常不够。在这种情形下,R&S RTO和R&S RTE显波器的新触发和解码解决方案可以提供帮助。


可靠乙太网路通讯对於驾驶辅助系统极其重要

汽车乙太网路正在越来越多地用作驾驶员辅助、资讯娱乐等快速汇流排系统。因此,汽车行业已经开发了100BASE-T1乙太网路介面,它是基於BroadR-Reach技术并由IEEE工作小组802.3bw进行了标准化。100BASE-T1透过非遮罩双绞线(双绞线乙太网路)实现全双工乙太网路连接。 100BASE-T1讯号经过差动电平介於-1 V和+1 V之间的PAM-3调变,100Mbit / s的资料速率明显高於传统汽车汇流排(如CAN汇流排),这使得能够用於开发驾驶员辅助系统,并可仰仗足够短延迟时间来传输摄像头和雷达等设备生成的大量资料。


为了确保在非遮罩电缆上可靠地传输并保持最小RF泄漏,发射器使用等化器来调整讯号频率回应。连接建立後,100BASE-T1 PHY晶片会量测电缆频率回应,并确定适当讯号预失真。相较没有等化器的标准100BASE-TX乙太网路,100BASE-T1系统中讯号严重失真,因此无法直接从讯号电平分析中读取讯号品质,如图2眼图所示。


测试汽车乙太网路介面

汽车行业协会开放联盟(Open Alliance)为乙太网路介面测试定义了详细规格。在实体层的相容性测试(Open Alliance汽车乙太网路ECU测试规格中的PMA测试)中,实验室使用显波器和网路分析仪量测介面电性能。相容性测试仅检查发射器的电气特性(使用测试讯号),没有在接收器上执行任何测试。透过读取PHY晶片的讯号品质叁数,可以间接地量测两个控制单元之间的通讯品质。


通常采用Vector CANoe或Wireshark等工具来验证控制单元应用通讯是否正确,这些软体工具使用特殊介面模组获取所有乙太网路资料流量,从而对协定内容进行广泛分析。但是,它们仅将传输错误表示为资料包错误。例如,如果资料包错误是由耦合干扰引起,那麽使用这些软体工具将无法进行更详细分析。在这种情形下,通常使用具有合适触发和解码功能的显波器。


对於R&S RTO(图1)和R&S RTE显波器,100BASE-T1汇流排上触发和解码的新解决方案使分析与电汇流排讯号相关的资料包内容成为可能,故障排除几??与传统CAN汇流排一样简单。



图1 : R&S RTO显波器提供用於100BASE-T1和1000BASE-T1汽车乙太网路相容性测试和链路段测试的完整量测解决方案。
图1 : R&S RTO显波器提供用於100BASE-T1和1000BASE-T1汽车乙太网路相容性测试和链路段测试的完整量测解决方案。

图2 : 左侧是差动100BASE-TX讯号,三个电平和陡峭过渡边缘清晰可见。右侧显示汽车100BASE-T1讯号以进行比较。由於等化器中存在预失真,因此无法始终清晰识别出PAM-3讯号电平。
图2 : 左侧是差动100BASE-TX讯号,三个电平和陡峭过渡边缘清晰可见。右侧显示汽车100BASE-T1讯号以进行比较。由於等化器中存在预失真,因此无法始终清晰识别出PAM-3讯号电平。

解耦讯号拮取

如果使用显波器探头直接控制双绞线上的讯号,则将获取沿两个方向传输的叠加讯号。但是,如果不分离这些讯号就不可能进行协定分析。 R&S RT-ZF5乙太网路探测夹具(图3)使用定向耦合器分离讯号,从而允许透过显波器解耦拮取100BASE-T1通讯(图4)。讯号的最大附加衰减为1 dB,这不会影响资料传输。



图3 : R&S RT-ZF5乙太网路探测夹具的定向耦合器允许在全双工100BASE-T1通讯中解耦两个资料流拮取。
图3 : R&S RT-ZF5乙太网路探测夹具的定向耦合器允许在全双工100BASE-T1通讯中解耦两个资料流拮取。

图4 : 全双工通讯中两个资料流的100BASE-T1解码。 MAC帧以橙色突出显示,连续传输空闲帧以灰色阴影显示。
图4 : 全双工通讯中两个资料流的100BASE-T1解码。 MAC帧以橙色突出显示,连续传输空闲帧以灰色阴影显示。

由於100BASE-T1发射器等化器会使拮取讯号严重失真,因此在显波器中解码之前,必须先透过复杂演算法对其进行均衡。R&S RTO 将解码後的资料包和空闲帧显示为彩色编码汇流排讯号并呈现在表格中(图5)。100BASE-T1电讯号电平与传输协定内容之间的时间相关性可以对汇流排通讯和资料包错误进行详细分析。使用者还可以触发资料包错误或具有特定发送或目标位址的资料包。



图5 : 解码100BASE-T1讯号电平。100BASE-T1差动讯号的两个电平和解码资料包内容清晰可见。
图5 : 解码100BASE-T1讯号电平。100BASE-T1差动讯号的两个电平和解码资料包内容清晰可见。

分析资料包错误

100BASE-T1解码可用於显示汇流排通讯相对於其他讯号的时序。例如,可以透过在12 V电源电压下触发显波器确定控制单元的启动时间。启动时间是从上电到出现第一个有效资料包之间的时间间隔。


如果不同时分析汇流排通讯和100BASE-T1电讯号,则很难发现由耦合干扰讯号引起的间歇性汇流排错误。透过解码,可以在所有七个OSI通讯层面上分析与时间相关的汇流排通讯,从而可以识别耦合干扰讯号来源(图6)。



图6 : 带有触发和解码选项的显波器可分析乙太网路通讯所有七个OSI层。
图6 : 带有触发和解码选项的显波器可分析乙太网路通讯所有七个OSI层。

例如,在图7量测中, MAC帧和空闲帧在拮取开始时被正确发送。但是,资料流在拮取过程中突然停止。底部视窗显示了故障时间片的频谱(右上方灰色阴影区域),其中显然可以看到2 MHz处的峰值,该干扰讯号显然是造成汇流排问题的原因。透过将解码与显波器其他分析工具(例如频率分析)结合使用,可以简化此类问题的故障排除,用显波器可以一目了然地识别出原本难以追踪的问题。



图7 : 结合协定分析和频率分析来研究汇流排通讯的间歇性中断。
图7 : 结合协定分析和频率分析来研究汇流排通讯的间歇性中断。

结论

为了开发具有汽车乙太网路介面的控制单元,罗德史瓦兹(Rohde & Schwarz)可提供完整100BASE-T1触发和解码解决方案,其中包括用於解耦讯号拮取的乙太网路探测夹具,它可以分析所有七个OSI通讯层中的汇流排通讯。用於触发和显示传输资料包的广泛功能有助於分析协定内容并确定汇流排错误原因。


专用选项可用於100BASE-T1和1000BASE-T1汽车乙太网路相容性测试和链路段测试。


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