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汽車乙太網路中的故障排除
 

【作者: Rohde & Schwarz】   2019年11月29日 星期五

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為了使駕駛員輔助系統可靠地運作,感測器資料必須不受影響地到達控制單元。感測器和控制單元之間的通訊細節由全新汽車乙太網路標準界定。但是,如果存在訊號傳輸問題,僅靠乙太網路協定本身進行分析通常不夠。在這種情形下,R&S RTO和R&S RTE顯波器的新觸發和解碼解決方案可以提供幫助。


可靠乙太網路通訊對於駕駛輔助系統極其重要

汽車乙太網路正在越來越多地用作駕駛員輔助、資訊娛樂等快速匯流排系統。因此,汽車行業已經開發了100BASE-T1乙太網路介面,它是基於BroadR-Reach技術並由IEEE工作小組802.3bw進行了標準化。100BASE-T1透過非遮罩雙絞線(雙絞線乙太網路)實現全雙工乙太網路連接。 100BASE-T1訊號經過差動電平介於–1 V和+1 V之間的PAM-3調變,100Mbit / s的資料速率明顯高於傳統汽車匯流排(如CAN匯流排),這使得能夠用於開發駕駛員輔助系統,並可仰仗足夠短延遲時間來傳輸攝像頭和雷達等設備生成的大量資料。


為了確保在非遮罩電纜上可靠地傳輸並保持最小RF洩漏,發射器使用等化器來調整訊號頻率回應。連接建立後,100BASE-T1 PHY晶片會量測電纜頻率回應,並確定適當訊號預失真。相較沒有等化器的標準100BASE-TX乙太網路,100BASE-T1系統中訊號嚴重失真,因此無法直接從訊號電平分析中讀取訊號品質,如圖2眼圖所示。


測試汽車乙太網路介面

汽車行業協會開放聯盟(Open Alliance)為乙太網路介面測試定義了詳細規格。在實體層的相容性測試(Open Alliance汽車乙太網路ECU測試規格中的PMA測試)中,實驗室使用顯波器和網路分析儀量測介面電性能。相容性測試僅檢查發射器的電氣特性(使用測試訊號),沒有在接收器上執行任何測試。透過讀取PHY晶片的訊號品質參數,可以間接地量測兩個控制單元之間的通訊品質。


通常採用Vector CANoe或Wireshark等工具來驗證控制單元應用通訊是否正確,這些軟體工具使用特殊介面模組獲取所有乙太網路資料流量,從而對協定內容進行廣泛分析。但是,它們僅將傳輸錯誤表示為資料包錯誤。例如,如果資料包錯誤是由耦合干擾引起,那麼使用這些軟體工具將無法進行更詳細分析。在這種情形下,通常使用具有合適觸發和解碼功能的顯波器。


對於R&S RTO(圖1)和R&S RTE顯波器,100BASE-T1匯流排上觸發和解碼的新解決方案使分析與電匯流排訊號相關的資料包內容成為可能,故障排除幾乎與傳統CAN匯流排一樣簡單。



圖1 : R&S RTO顯波器提供用於100BASE-T1和1000BASE-T1汽車乙太網路相容性測試和鏈路段測試的完整量測解決方案。
圖1 : R&S RTO顯波器提供用於100BASE-T1和1000BASE-T1汽車乙太網路相容性測試和鏈路段測試的完整量測解決方案。

圖2 : 左側是差動100BASE-TX訊號,三個電平和陡峭過渡邊緣清晰可見。右側顯示汽車100BASE-T1訊號以進行比較。由於等化器中存在預失真,因此無法始終清晰識別出PAM-3訊號電平。
圖2 : 左側是差動100BASE-TX訊號,三個電平和陡峭過渡邊緣清晰可見。右側顯示汽車100BASE-T1訊號以進行比較。由於等化器中存在預失真,因此無法始終清晰識別出PAM-3訊號電平。

解耦訊號拮取

如果使用顯波器探頭直接控制雙絞線上的訊號,則將獲取沿兩個方向傳輸的疊加訊號。但是,如果不分離這些訊號就不可能進行協定分析。 R&S RT-ZF5乙太網路探測夾具(圖3)使用定向耦合器分離訊號,從而允許透過顯波器解耦拮取100BASE-T1通訊(圖4)。訊號的最大附加衰減為1 dB,這不會影響資料傳輸。



圖3 : R&S RT-ZF5乙太網路探測夾具的定向耦合器允許在全雙工100BASE-T1通訊中解耦兩個資料流拮取。
圖3 : R&S RT-ZF5乙太網路探測夾具的定向耦合器允許在全雙工100BASE-T1通訊中解耦兩個資料流拮取。

圖4 : 全雙工通訊中兩個資料流的100BASE-T1解碼。 MAC幀以橙色突出顯示,連續傳輸空閒幀以灰色陰影顯示。
圖4 : 全雙工通訊中兩個資料流的100BASE-T1解碼。 MAC幀以橙色突出顯示,連續傳輸空閒幀以灰色陰影顯示。

由於100BASE-T1發射器等化器會使拮取訊號嚴重失真,因此在顯波器中解碼之前,必須先透過複雜演算法對其進行均衡。R&S RTO 將解碼後的資料包和空閒幀顯示為彩色編碼匯流排訊號並呈現在表格中(圖5)。100BASE-T1電訊號電平與傳輸協定內容之間的時間相關性可以對匯流排通訊和資料包錯誤進行詳細分析。使用者還可以觸發資料包錯誤或具有特定發送或目標位址的資料包。



圖5 : 解碼100BASE-T1訊號電平。100BASE-T1差動訊號的兩個電平和解碼資料包內容清晰可見。
圖5 : 解碼100BASE-T1訊號電平。100BASE-T1差動訊號的兩個電平和解碼資料包內容清晰可見。

分析資料包錯誤

100BASE-T1解碼可用於顯示匯流排通訊相對於其他訊號的時序。例如,可以透過在12 V電源電壓下觸發顯波器確定控制單元的啟動時間。啟動時間是從上電到出現第一個有效資料包之間的時間間隔。


如果不同時分析匯流排通訊和100BASE-T1電訊號,則很難發現由耦合干擾訊號引起的間歇性匯流排錯誤。透過解碼,可以在所有七個OSI通訊層面上分析與時間相關的匯流排通訊,從而可以識別耦合干擾訊號來源(圖6)。



圖6 : 帶有觸發和解碼選項的顯波器可分析乙太網路通訊所有七個OSI層。
圖6 : 帶有觸發和解碼選項的顯波器可分析乙太網路通訊所有七個OSI層。

例如,在圖7量測中, MAC幀和空閒幀在拮取開始時被正確發送。但是,資料流在拮取過程中突然停止。底部視窗顯示了故障時間片的頻譜(右上方灰色陰影區域),其中顯然可以看到2 MHz處的峰值,該干擾訊號顯然是造成匯流排問題的原因。透過將解碼與顯波器其他分析工具(例如頻率分析)結合使用,可以簡化此類問題的故障排除,用顯波器可以一目了然地識別出原本難以追蹤的問題。



圖7 : 結合協定分析和頻率分析來研究匯流排通訊的間歇性中斷。
圖7 : 結合協定分析和頻率分析來研究匯流排通訊的間歇性中斷。

結論

為了開發具有汽車乙太網路介面的控制單元,羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz)可提供完整100BASE-T1觸發和解碼解決方案,其中包括用於解耦訊號拮取的乙太網路探測夾具,它可以分析所有七個OSI通訊層中的匯流排通訊。用於觸發和顯示傳輸資料包的廣泛功能有助於分析協定內容並確定匯流排錯誤原因。


專用選項可用於100BASE-T1和1000BASE-T1汽車乙太網路相容性測試和鏈路段測試。


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