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用於調試汽車乙太網路的示波器綜合分析以加快調試
 

【作者: Rohde & Schwarz】   2018年12月04日 星期二

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開發人員必須對帶有汽車乙太網路介面的電子控制單元(ECU)執行測試以確保設備工作正常。如果訊號在傳送過程中出現問題,在大多數情況下,簡單的乙太網路協定分析是不夠的。羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz,R&S)示波器新的觸發與解碼軟體套件針對該問題提供了解決方案。該軟體套件使開發人員能夠針對傳送的乙太網路協定內容進行觸發和解碼,並將內容時序與電氣匯流排訊號相關聯。這在調試工作中對問題分析大有裨益,能夠迅速找到故障所在。


汽車乙太網路,作為車載應用(如駕駛員輔助系統和資訊娛樂系統)的快速匯流排系統正變得越來越流行。汽車行業專為此開發了100BASE-T1乙太網路介面。它基於 BroadR-ReachR技術,並已由IEEE 802.3bw工作組完成標準化。 100BASE-T1使用非屏蔽乙太網路雙絞線進行全雙工乙太網路通訊。100BASE-T1訊號採用PAM-3調製,差動訊號電平介於-1 V和+1 V之間。高達100Mbit/s的資料傳送速率明顯快於傳統匯流排系統,如CAN匯流排。


100BASE-T1發送器端對訊號的頻率響應進行調整,以確保最大限度地減少非屏蔽電纜射頻洩漏,實現可靠傳送。100BASE-T1標準要求發送機中使用均衡器。當建立連接時,100BASE-T1 PHY晶片量測電纜的頻率響應。均衡器為隨後之資料傳送進行訊號預失真處理,目的是確保可靠傳送訊號,同時使來自電纜的射頻洩漏盡量降低。與不使用均衡器的100BASE-Tx乙太網路標準相比,100BASE-T1系統中的訊號由於預失真而高度失真。因此,開發人員不能僅透過分析電氣匯流排訊號的電平來判斷訊號質量。


圖1a : 差動100BASE-Tx訊號。 3個電平和過渡處陡峭的邊緣清晰可見。(source:羅德史瓦茲)
圖1a : 差動100BASE-Tx訊號。 3個電平和過渡處陡峭的邊緣清晰可見。(source:羅德史瓦茲)

圖1b : 為了進行比較,此為汽車100BASE-T1訊號。由於均衡器中實施了預失真,PAM-3訊號的3個電平不總是清晰可見。(source:羅德史瓦茲)
圖1b : 為了進行比較,此為汽車100BASE-T1訊號。由於均衡器中實施了預失真,PAM-3訊號的3個電平不總是清晰可見。(source:羅德史瓦茲)

測試汽車乙太網路介面

IEEE已經規定了100BASE-T1介面的特性。透過標準化的一致性測試,開發人員可在實驗室使用示波器和網路分析裝置量測該介面之電氣特性。乙太網路協定分析工具(如Vector CANoe或Wireshark)通常用於驗證電子控制單元(ECU)是否能正確處理通訊。此類工具可記錄所有乙太網路資料流量並提供全面的分析功能。但是,傳送錯誤僅以報文錯誤的形式出現,並且對根本原因的深入分析難以進行。為解決此問題,通常需要使用具有相應觸發和解碼軟體套件的示波器。


使用羅德史瓦茲公司的100BASE-T1匯流排觸發和解碼軟體套件,ECU開發人員現在首次可以直接將電訊號與傳送的報文內容關聯在一起,作為他們分析工作的一部分。例如,汽車乙太網路應用中匯流排上出現的問題現在可以像在傳統CAN匯流排(CAN匯流排同樣具有強大的觸發和解碼軟體套件選用)上一樣,輕鬆發現並排除。


汽車乙太網路觸發和解碼軟體套件之特殊功能

在100BASE-T1通訊中,兩路資料流透過一條雙絞線同時傳送。如果用戶使用示波器記錄匯流排電平,則量測的是兩路匯流排上疊加的資料流。如果不分開這些資料流,分析工作無法進行。為此,可配備帶定向耦合器的羅德史瓦茲公司R&S RT-ZF5乙太網路偵測夾具。將它插入到乙太網路通訊線路部分後,將資料流分離開,從而能夠使用示波器以非侵入方式記錄100BASE-T1通訊資料。



圖2 : R&S RT-ZF5乙太網路偵測夾具能夠在全雙工100BASE-T1通訊中以非侵入方式記錄兩路資料流。(source:羅德史瓦茲)
圖2 : R&S RT-ZF5乙太網路偵測夾具能夠在全雙工100BASE-T1通訊中以非侵入方式記錄兩路資料流。(source:羅德史瓦茲)

圖3 : 100BASE-T1在全雙工通訊中解碼兩路資料流。MAC幀以彩色突出顯示,而連續發送的空閒幀為灰色。(source:羅德史瓦茲)
圖3 : 100BASE-T1在全雙工通訊中解碼兩路資料流。MAC幀以彩色突出顯示,而連續發送的空閒幀為灰色。(source:羅德史瓦茲)

但是,100BASE-T1發送器端使用的均衡器使記錄的訊號嚴重失真。在進一步處理前,首先要使用複雜算法對訊號進行均衡,然後再對其解碼。示波器在解碼過程中解擾報文,並顯示所有傳送的資料報文和空閒幀。被解碼的報文以表格格式顯示為彩色編碼匯流排訊號。這使開發人員可以將現場的100BASE-T1訊號與傳送協定內容相關聯,從而能夠開展非常深入分析。



圖4 : 解碼電氣100BASE-T1匯流排。兩電平差動100BASE-T1訊號及解碼的報文內容清晰可見。(source:羅德史瓦茲)
圖4 : 解碼電氣100BASE-T1匯流排。兩電平差動100BASE-T1訊號及解碼的報文內容清晰可見。(source:羅德史瓦茲)

廣泛的觸發功能也使開發人員能夠隔離顯示具有特定源地址或目的地地址的特定報文。


分析報文錯誤

可根據100BASE-T1解碼揭示匯流排通訊和其他訊號間的定時關係。例如,透過在12V電源電壓上觸發示波器並量測第一個有效報文到達前經過的時長,用戶可以確定ECU啟動時間。也可以輕鬆驗證匯流排通訊之穩定性:開發人員可以專門針對電源電壓的短期中斷設置觸發,然後分析由此產生的匯流排通訊中斷。如果中斷次數很多,穩定性顯然不佳。



圖5 : 使用帶觸發和解碼軟體套件選件的示波器,可以在OSI的所有七層上量測,因此能夠進行廣泛的測試和分析。(source:羅德史瓦茲)
圖5 : 使用帶觸發和解碼軟體套件選件的示波器,可以在OSI的所有七層上量測,因此能夠進行廣泛的測試和分析。(source:羅德史瓦茲)

如果沒有其他分析能力,由干擾源耦合引起的偶發匯流排錯誤很難被發現並排除。透過解碼100BASE-T1通訊,開發人員可以籍由適當的時序相關性來分析所有協定層的匯流排通訊,以便識別來自乾擾源的耦合。


例如,在圖6的量測中,在記錄開始時正確發送MAC幀和空閒幀。但是,資料流在錄製過程中突然中斷。在較低訊號幅度中繪製出乾擾訊號頻譜(以灰色標記的區域)。峰值在2 MHz處清晰可見。顯然,這個乾擾訊號導致匯流排中斷。解碼功能與示波器提供的其他分析工具(如頻譜分析)相整合使得這種類型的故障排除更加容易。例如,示波器能夠一目了然地檢測到使用其他方法很難隔離開的干擾。



圖6 : 整合使用協定分析和頻譜分析,分析匯流排通訊中的突然中斷。(source:羅德史瓦茲)
圖6 : 整合使用協定分析和頻譜分析,分析匯流排通訊中的突然中斷。(source:羅德史瓦茲)

結論

對於從事具備汽車乙太網路介面的電子控制單元(ECU)開發人員,羅德史瓦茲公司現在擁有完整的100BASE-T1觸發和解碼軟體套件選件,包括用於非侵入式訪問訊號的偵測夾具。在調試操作期間,開發人員得到針對已傳送報文的全面觸發功能和顯示功能支援。顯示的解碼資訊在時間上與電訊號相關。這使用戶能夠在故障排除過程中分析協定內容,并快速確定發生任何匯流排錯誤的原因。


除了這裡介紹的100BASE-T1觸發和解碼軟體套件選件外,羅德史瓦茲公司還為使用示波器和網路分析儀進行100BASE-T1和1000BASE-T1汽車乙太網路一致性測試和鏈路段測試提供完整解決方案。


(本文作者Ernst Flemming為位於德國慕尼黑的羅德史瓦茲公司示波器產品經理)


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