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車載以太網(wǎng)一致性測試方案
閱讀：218 發(fā)布時(shí)間：2024-8-5
近年來，主要受信息娛樂系統(tǒng)，先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），動力傳動系統(tǒng)和車身電子設(shè)備的推動，汽車的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜。每次性能的提高都需要更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，由于當(dāng)今車輛中的各種電子控制單元（ECU）之間需要共享大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，車載以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。
與同為汽車總線的CAN/LIN低速背板不同，車載以太網(wǎng)需要進(jìn)行一致性測試，根據(jù)IEEE和OPEN 聯(lián)盟的規(guī)定，車載以太網(wǎng)的物理層（PHY）根據(jù)速率被分為了百兆車載以太網(wǎng)(100BASE-T1)和千兆車載以太網(wǎng)(1000BASE-T1)。
一、難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
不論是100BASE-T1還是1000BASE-T1的測試，都涉及到多臺設(shè)備協(xié)同工作，這對于產(chǎn)品的相互控制進(jìn)行測試項(xiàng)的配置和數(shù)據(jù)的讀寫都有了更高的要求，對于公司的產(chǎn)品豐富度也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
對于自動化測試應(yīng)用，能夠穩(wěn)定地自動捕獲信號是一大挑戰(zhàn)，工程師花費(fèi)了數(shù)千小時(shí)來學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)并且創(chuàng)建了自動化、重復(fù)性強(qiáng)的一致性測試。這些一致性測試軟件可以根據(jù)IEEE/OPEN Alliance規(guī)范自動執(zhí)行物理層測試。
車載以太網(wǎng)一致性測試常見測試項(xiàng)有：
1、基本的一致性測試
2、失真測試
3、回波損耗測試
二、一致性測試的必要性
（一）新串行總線數(shù)據(jù)速率的更高要求
隨著數(shù)據(jù)速率的提高，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線之間愈發(fā)嚴(yán)重的偏移越來越難以在并行總線中解決，工程師們給出的解決方案是使用快速串行通道。
較新的串行總線結(jié)構(gòu)正在迅速取代高速數(shù)字系統(tǒng)的并行總線結(jié)構(gòu)，這些協(xié)議配有嵌入式時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)簡單路由以及每個(gè)引腳更高帶寬的目標(biāo)。
然而，這些串行互連也遇到了一些自身的問題，為了保持與較早的并行總線相同的總帶寬，新串行總線需要增加其數(shù)據(jù)速率。
（二）物理層元器件的影響不可忽視
隨著串行互連的數(shù)據(jù)速率增加，從 0 邏輯電平到 1 邏輯電平的數(shù)據(jù)瞬變上升時(shí)間變短。這種較短的上升沿在傳輸線的阻抗不連續(xù)處會造成很大的反射，從而使遠(yuǎn)端的眼圖效果變差。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)不能再忽略物理層元器件如印刷電路板走線、連接器、電纜和集成電路封裝帶來的影響。
實(shí)際上，在很多情況下，芯片的速度已經(jīng)快到使得物理層器件成為瓶頸。為了在整個(gè)通道中保持信號完整性，各種串行總線中大量使用了擁有良好的共模抑制比的差分電路。但與此同時(shí)，差分傳輸線加上高速數(shù)據(jù)的微波效應(yīng)讓工程師對新的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具提出了需求。
我們迫切地需要一個(gè)測試測量解決方案，以便對高速數(shù)字互連中看到的復(fù)雜微波特性進(jìn)行簡單的表征，一致性驗(yàn)證應(yīng)運(yùn)而生。
（三）車載以太網(wǎng)中更為嚴(yán)格的傳輸要求
與傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)相比，車載以太網(wǎng)僅需要使用1對雙絞線，而工業(yè)以太網(wǎng)則需要多對，線束較多。同時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)一般使用RJ45連接器連接，而車載以太網(wǎng)并未選定特定的連接器，連接方式更為靈活小巧，能夠大大減輕線束重量。
除此以外，車載以太網(wǎng)物理層需滿足車載環(huán)境下更為嚴(yán)格的EMC要求，對于非屏蔽雙絞線的傳輸距離需達(dá)到15m（屏蔽雙絞線達(dá)40m）。面對如此嚴(yán)格的傳輸要求，業(yè)界統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)，也就是車載以太網(wǎng)物理層一致性驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。
以太網(wǎng)控制器和物理介質(zhì)連接的模塊叫做物理層，在出廠之前，制造商必須驗(yàn)證以太網(wǎng)接口的一致性，確保接口的正確的電氣性能。
（四）不滿足規(guī)范要求的產(chǎn)品可能會導(dǎo)致車載以太網(wǎng)信號質(zhì)量惡化、通信異常，或?qū)е聡?yán)重EMC問題。
對于芯片供應(yīng)商，滿足IEEE/OPEN聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)要求是其產(chǎn)品進(jìn)入市場的準(zhǔn)入門檻；對于OEM廠商的ECU產(chǎn)品開發(fā)周期漫長，符合規(guī)范的PHY芯片可以有效加快產(chǎn)品投放速度，芯片再集成到ECU后，也需要進(jìn)行一致性測；對于整車廠商，為了保證整車的電子性能，同樣對ECU產(chǎn)品中車載以太網(wǎng)單元有嚴(yán)格的一致性測試驗(yàn)證需求。
三、車載以太網(wǎng)物理層驗(yàn)證概述
下面我們提供的車載以太網(wǎng)電氣一致性分析解決方案可以自動化進(jìn)行電氣測試，從而節(jié)省寶貴的測試時(shí)間。
如何正確搭建測試環(huán)境、被測件（DUT：Device under test）應(yīng)該發(fā)出怎樣的測試碼型、怎么通過與測試指標(biāo)中給出的極限值進(jìn)行對比來分析測量結(jié)果……這些都是需要解決的問題。
（重點(diǎn)）車載以太網(wǎng)電氣一致性分析方案，包括：
1、用戶可以執(zhí)行單項(xiàng)或多項(xiàng)測試；
2、展示如何將示波器和被測設(shè)備連接；
3、為每個(gè)測試項(xiàng)目自動設(shè)置示波器；
4、顯示已執(zhí)行測試的每個(gè)項(xiàng)目的詳細(xì)信息和通過標(biāo)準(zhǔn)；
5、可創(chuàng)建 HTML 或 XML 測試報(bào)告。
示波器是一致性測試中使用到的主要的工具。
其中失真、MDI回波損耗、MDI模式轉(zhuǎn)換和功率譜密度（PSD）測試還需要使用一些額外的儀器。在失真測試中需要用到信號發(fā)生器，在回波損耗和模態(tài)轉(zhuǎn)換中需要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在功率譜密度測試中，為了提高測量的精度，可以選擇使用頻譜分析儀來進(jìn)行測試。
一致性測試的測試項(xiàng)目繁多，工程師往往不明白為什么要測試某些項(xiàng)目，更搞不明白這些項(xiàng)目差了一點(diǎn)會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生什么影響。
比如傳輸衰落(droop)，要求500ns內(nèi)的電壓衰落在45%以內(nèi)，但如果測試的結(jié)果是傳輸衰落為46%，怎么辦？
由于一致性測試要求的測試項(xiàng)目很多，在產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試階段，往往會更關(guān)注一些關(guān)鍵測試項(xiàng)目，如數(shù)據(jù)率、抖動測量，SDS7000A系列示波器支持進(jìn)行單項(xiàng)測試并生成測試報(bào)告。
（重點(diǎn)）車載以太網(wǎng)一致性測試軟件支持以下測試：
1、幅度測試：
傳輸衰落測試測量了500ns內(nèi)的電壓峰值衰落，反映了電壓驅(qū)動能力。支持頻率和抖動測試，通過使被測件重復(fù)傳輸{+1，- 1}數(shù)據(jù)符號序列，來測試PHY發(fā)送時(shí)鐘頻率，并從中計(jì)算出MDI上信號的時(shí)間間隔誤差。
2、傳輸失真測試：
使用鼎陽科技的SDG系列任意波形發(fā)生器來對干擾信號進(jìn)行校準(zhǔn)并將其添加到DUT發(fā)送的信號中。引入干擾信號后通過示波器對差分輸出信號用任意相位進(jìn)行采樣，并使用標(biāo)準(zhǔn)參考中提供的MATLAB代碼處理任意2047個(gè)連續(xù)采樣的點(diǎn)來確定傳輸失真。該項(xiàng)測試反映了差分信號的抗干擾能力。
3、回波損耗測試：
該項(xiàng)測試需要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，鼎陽的一致性測試軟件支持示波器控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行自動化測試。此測試項(xiàng)主要是驗(yàn)證在MDI接口處因阻抗不連續(xù)造成的信號反射是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所以測試夾具和被測樣件之間的“鏈路"的品質(zhì)對測試結(jié)果的影響很大。
四、一致性測試的共性問題
（一）如何將信號引入示波器
對于絕大部分一致性測試方案，都需要使用夾具和測試線纜、探頭將信號從DUT引到示波器中。對于有些串行數(shù)據(jù)，在測試不同項(xiàng)目時(shí)需要改變夾具的連接方式，有時(shí) 還需要用到多塊夾具共同作用。測試夾具能夠根據(jù)規(guī)范要求布置電路和阻抗匹配，為DUT提供合適的連接接口，同時(shí)也為示波器探頭提供合適的探測點(diǎn)。
事實(shí)上，在不進(jìn)行一致性測試，譬如調(diào)試信號時(shí)，也可以使用夾具來將信號引到示波器。不論是哪種一致性測試，都會有一部分來測量差分對的電氣特性，負(fù)責(zé)這一部分的夾具就是將難以用示波器探頭測量的線纜引導(dǎo)了夾具的測試線纜和探頭接口中，可以通過這種方式來測量線纜中差分對的信號。
（二）被測設(shè)備發(fā)包
一致性測試的難點(diǎn)之一是發(fā)包問題。一致性測試是一種強(qiáng)制性測試，必須要發(fā)出規(guī)定的波形去測試才能得到標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)果，如果每個(gè)人都按照自己的工作信號來進(jìn)行測試，那就找不到“一致性"的標(biāo)準(zhǔn)了。
對于各類主流的網(wǎng)卡芯片，可以通過修改相關(guān)寄存器或使用芯片廠商提供的發(fā)包工具來控制發(fā)包，從而控制被測件發(fā)出對應(yīng)的波形進(jìn)行測試，所以幾乎每種被測件都有自己特別的發(fā)包方式。
五、配置指南
SDS7000A-CT-100BASE-T1/ SDS7000A-CT-1000BASE-T1目前僅支持SDS7000A系列示波器，根據(jù)不同的測試需求需要使用額外的硬件。
下表列出了規(guī)范的要求，同時(shí)列出了鼎陽科技為該類測試提供的相應(yīng)的測試測量儀器。
符合100BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)的配置訂單實(shí)例
符合1000BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)的配置訂單實(shí)例