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用於调试汽车乙太网路的示波器综合分析以加快调试
 

【作者: Rohde & Schwarz】2018年12月04日 星期二

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开发人员必须对带有汽车乙太网路介面的电子控制单元(ECU)执行测试以确保设备工作正常。如果讯号在传送过程中出现问题,在大多数情况下,简单的乙太网路协定分析是不够的。罗德史瓦兹(Rohde & Schwarz,R&S)示波器新的触发与解码软体套件针对该问题提供了解决方案。该软体套件使开发人员能够针对传送的乙太网路协定内容进行触发和解码,并将内容时序与电气汇流排讯号相关联。这在调试工作中对问题分析大有裨益,能够迅速找到故障所在。


汽车乙太网路,作为车载应用(如驾驶员辅助系统和资讯娱乐系统)的快速汇流排系统正变得越来越流行。汽车行业专为此开发了100BASE-T1乙太网路介面。它基於 BroadR-ReachR技术,并已由IEEE 802.3bw工作组完成标准化。 100BASE-T1使用非屏蔽乙太网路双绞线进行全双工乙太网路通讯。100BASE-T1讯号采用PAM-3调制,差动讯号电平介於-1 V和+1 V之间。高达100Mbit/s的资料传送速率明显快於传统汇流排系统,如CAN汇流排。


100BASE-T1发送器端对讯号的频率响应进行调整,以确保最大限度地减少非屏蔽电缆射频泄漏,实现可靠传送。100BASE-T1标准要求发送机中使用均衡器。当建立连接时,100BASE-T1 PHY晶片量测电缆的频率响应。均衡器为随後之资料传送进行讯号预失真处理,目的是确保可靠传送讯号,同时使来自电缆的射频泄漏尽量降低。与不使用均衡器的100BASE-Tx乙太网路标准相比,100BASE-T1系统中的讯号由於预失真而高度失真。因此,开发人员不能仅透过分析电气汇流排讯号的电平来判断讯号质量。


图1a : 差动100BASE-Tx讯号。 3个电平和过渡处陡峭的边缘清晰可见。(source:罗德史瓦兹)
图1a : 差动100BASE-Tx讯号。 3个电平和过渡处陡峭的边缘清晰可见。(source:罗德史瓦兹)

图1b : 为了进行比较,此为汽车100BASE-T1讯号。由於均衡器中实施了预失真,PAM-3讯号的3个电平不总是清晰可见。(source:罗德史瓦兹)
图1b : 为了进行比较,此为汽车100BASE-T1讯号。由於均衡器中实施了预失真,PAM-3讯号的3个电平不总是清晰可见。(source:罗德史瓦兹)

测试汽车乙太网路介面

IEEE已经规定了100BASE-T1介面的特性。透过标准化的一致性测试,开发人员可在实验室使用示波器和网路分析装置量测该介面之电气特性。乙太网路协定分析工具(如Vector CANoe或Wireshark)通常用於验证电子控制单元(ECU)是否能正确处理通讯。此类工具可记录所有乙太网路资料流量并提供全面的分析功能。但是,传送错误仅以报文错误的形式出现,并且对根本原因的深入分析难以进行。为解决此问题,通常需要使用具有相应触发和解码软体套件的示波器。


使用罗德史瓦兹公司的100BASE-T1汇流排触发和解码软体套件,ECU开发人员现在首次可以直接将电讯号与传送的报文内容关联在一起,作为他们分析工作的一部分。例如,汽车乙太网路应用中汇流排上出现的问题现在可以像在传统CAN汇流排(CAN汇流排同样具有强大的触发和解码软体套件选用)上一样,轻松发现并排除。


汽车乙太网路触发和解码软体套件之特殊功能

在100BASE-T1通讯中,两路资料流透过一条双绞线同时传送。如果用户使用示波器记录汇流排电平,则量测的是两路汇流排上叠加的资料流。如果不分开这些资料流,分析工作无法进行。为此,可配备带定向耦合器的罗德史瓦兹公司R&S RT-ZF5乙太网路侦测夹具。将它??入到乙太网路通讯线路部分後,将资料流分离开,从而能够使用示波器以非侵入方式记录100BASE-T1通讯资料。



图2 : R&S RT-ZF5乙太网路侦测夹具能够在全双工100BASE-T1通讯中以非侵入方式记录两路资料流。(source:罗德史瓦兹)
图2 : R&S RT-ZF5乙太网路侦测夹具能够在全双工100BASE-T1通讯中以非侵入方式记录两路资料流。(source:罗德史瓦兹)

图3 : 100BASE-T1在全双工通讯中解码两路资料流。MAC帧以彩色突出显示,而连续发送的空闲帧为灰色。(source:罗德史瓦兹)
图3 : 100BASE-T1在全双工通讯中解码两路资料流。MAC帧以彩色突出显示,而连续发送的空闲帧为灰色。(source:罗德史瓦兹)

但是,100BASE-T1发送器端使用的均衡器使记录的讯号严重失真。在进一步处理前,首先要使用复杂算法对讯号进行均衡,然後再对其解码。示波器在解码过程中解扰报文,并显示所有传送的资料报文和空闲帧。被解码的报文以表格格式显示为彩色编码汇流排讯号。这使开发人员可以将现场的100BASE-T1讯号与传送协定内容相关联,从而能够开展非常深入分析。



图4 : 解码电气100BASE-T1汇流排。两电平差动100BASE-T1讯号及解码的报文内容清晰可见。(source:罗德史瓦兹)
图4 : 解码电气100BASE-T1汇流排。两电平差动100BASE-T1讯号及解码的报文内容清晰可见。(source:罗德史瓦兹)

广泛的触发功能也使开发人员能够隔离显示具有特定源地址或目的地地址的特定报文。


分析报文错误

可根据100BASE-T1解码揭示汇流排通讯和其他讯号间的定时关系。例如,透过在12V电源电压上触发示波器并量测第一个有效报文到达前经过的时长,用户可以确定ECU启动时间。也可以轻松验证汇流排通讯之稳定性:开发人员可以专门针对电源电压的短期中断设置触发,然後分析由此产生的汇流排通讯中断。如果中断次数很多,稳定性显然不隹。



图5 : 使用带触发和解码软体套件选件的示波器,可以在OSI的所有七层上量测,因此能够进行广泛的测试和分析。(source:罗德史瓦兹)
图5 : 使用带触发和解码软体套件选件的示波器,可以在OSI的所有七层上量测,因此能够进行广泛的测试和分析。(source:罗德史瓦兹)

如果没有其他分析能力,由干扰源耦合引起的偶发汇流排错误很难被发现并排除。透过解码100BASE-T1通讯,开发人员可以籍由适当的时序相关性来分析所有协定层的汇流排通讯,以便识别来自乾扰源的耦合。


例如,在图6的量测中,在记录开始时正确发送MAC帧和空闲帧。但是,资料流在录制过程中突然中断。在较低讯号幅度中绘制出乾扰讯号频谱(以灰色标记的区域)。峰值在2 MHz处清晰可见。显然,这个乾扰讯号导致汇流排中断。解码功能与示波器提供的其他分析工具(如频谱分析)相整合使得这种类型的故障排除更加容易。例如,示波器能够一目了然地检测到使用其他方法很难隔离开的干扰。



图6 : 整合使用协定分析和频谱分析,分析汇流排通讯中的突然中断。(source:罗德史瓦兹)
图6 : 整合使用协定分析和频谱分析,分析汇流排通讯中的突然中断。(source:罗德史瓦兹)

结论

对於从事具备汽车乙太网路介面的电子控制单元(ECU)开发人员,罗德史瓦兹公司现在拥有完整的100BASE-T1触发和解码软体套件选件,包括用於非侵入式访问讯号的侦测夹具。在调试操作期间,开发人员得到针对已传送报文的全面触发功能和显示功能支援。显示的解码资讯在时间上与电讯号相关。这使用户能够在故障排除过程中分析协定内容,并快速确定发生任何汇流排错误的原因。


除了这里介绍的100BASE-T1触发和解码软体套件选件外,罗德史瓦兹公司还为使用示波器和网路分析仪进行100BASE-T1和1000BASE-T1汽车乙太网路一致性测试和链路段测试提供完整解决方案。


(本文作者Ernst Flemming为位於慕尼黑的罗德史瓦兹公司示波器产品经理)


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