车载以太网物理层一致性测试

智能汽车电子与软件 2024-05-07 17:03

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车载以太网成为面向未来应用的新型车内网络

车载以太网的历史并没有那么久远。虽然很多年前就已经开始了这项技术的研究，但是IEEE是在2015-2016年才形成了IEEE802.3bw以及802.3bp标准，分别对车载以太网100M速率（简称100BASE-T1）以及1000M速率（简称1000BASE-T1）的通信标准做出了明确的规定。近两年又推出了IEEE802.3cg以及IEEE 802.3ch，分别制定了车载10M速率（10BASE-T1S）以及车载2.5G/5G/10G速率（MultiGBASE-T1）标准。与此同时，OPEN ALLIANCE联盟也对ECU级的测试项目和评估标准做出了规定，目前TC8主要针对100/1000BASE-T1的ECU测试，而MultiGBASE-T1会在TC15中完成。

车载以太网发展迅速，越来越受到汽车产业界的重视。尤其在随着5G、车联网、无人驾驶等应用的出现，传统的低速总线技术无法满足多传感器、摄像头数据等大数据量的传输要求。同时，V2X也对通信低延迟和实时性提出了严苛需求。因此，厂商纷纷借助车载以太网来构建新型车内网络。

总线速率的提升为工程师测试带来挑战介

在以CAN/FlexRay等为代表的低速总线中，由于数据传输速率较低（例如普遍使用的CAN总线速率最高为1Mbps，而常用的为500Kbps），工程师在调测时，往往更多侧重于模块功能化调试。示波器作为常用工具，在调测时比较容易，且示波器具备的协议触发和解码功能可以帮助工程师捕获特定 CAN信号帧并解码查看，定位故障。如图1所示。

图1 CAN总线解码功能示意图

然而，在对更高速的车载以太网接口做验证时，情况会复杂很多，需要进行物理层一致性测试。

首先，随着被测信号速率的提升，为了保证信号完整性需要使用更大带宽的示波器。选择示波器的带宽时，可参考表1。

表1 车载以太网速率测试所需示波器带宽

IEEE 802.3协议和OPEN ALLIANCE针对各个不同的速率也明确规定了不同的测试项目及评估标准。以最新发布的10G速率的IEEE802.3ch为例，发射端物理层的测试内容包括最大输出压降，发射端线性度，抖动（确定性抖动/随机抖动），功率谱密度，差分电压峰值，时钟频率，回波损耗等测试项目，其中回波损耗需要使用矢量网络分析仪来测试。

工程师凭借调试低速总线的经验，通过手动测试可能无法有效完成这些测试任务。例如：在低速总线测试时，比较少关注抖动细节，更没有讨论确定性抖动或随机抖动的必要。功率谱密度，回波损耗这些指标也很少涉及；最大输出压降的测试原理比较简单，但是测试过程繁琐，要求能够准确测试信号波形中距离第一个过零点4ns位置和16ns位置的电压差。如果手动测试，不仅效率低，而且会由于人为设置测量而造成误差；高速信号的测试对连接夹具也提出了高要求，不合格的夹具可能导致过大的衰减，导致测试结果失败。

一致性测试方案让自动测试成为可能

通测科技方案中的示波器可以提供K24（100BASE-T1）, K87（1000BASE-T1）, K88（MultiGBASE-T1）, K89（10BASE-T1）车载以太网一致性测试软件。如图2是RTP系列示波器的10GBASE-T1的软件界面，支持的测试项目与IEEE 802.3ch发射端的定义保持一致。

图2 RTP-K88 10GBASE-T1测试软件界面

以10G速率车载以太网为例，从以下几个方面来了解测试时的注意事项，以及一致性软件是如何简化测试过程。

在使用示波器捕获被测信号时，需要按照IEEE 802.3ch的定义，对不同的测试项需要配置被测件发出指定的波形。需要指出的是，即使使用一致性测试软件，也需要工程师能够控制被测件能够发出正确的测试波形。例如在测试MDI Jitter Master mode时，需要被测件发送Test Mode 2波形；在测试Transmitter Maximum Output Droop时，需要被测件发送Test Mode 6波形。

一致性软件会根据选择的测试项目，给出连接向导和所需发送波形的示意图，如图3所示。工程师在开始测量前可预先检查连接情况以及被测件是否发出了正确的被测波形。

图3 一致性测试软件向导

捕获到符合要求的波形数据后，需要根据规定的分析方法，经过大量的计算得出各个测量指标的数值，进而和标准对比来判断是否符合需求。

一致性测试软件会大大简化分析过程。软件会在捕获到波形后，自动进行计算，给出测试指标并与IEEE标准规定进行对比，同时保存截图，汇总生成测试报告。如图4所示为发送Test Mode 2波形时，得到的随机抖动（Random Jitter）的结果和分布曲线等。

图4 一致性软件测试报告示意图

在实验的可重复性方面，不同的工程师测试时或同一工程师对不同的被测件测试时，会由于对示波器的基本参数设置的不同，造成测试结果的差异，使得结果难以比对。而一致性测试软件不会涉及该问题，只需要工程师在测试时根据测试场景设置合适的参数（可使用默认参数），方便工程师对优化前后的产品性能做对比。

车载以太网是用于车内网络通信的技术，目前还没有规定统一的接口形态（不同于10/100/1000BASE-T均使用RJ-45接口）。通常不同厂家甚至同一厂家的不同产品会具备不同的接口形态。因此在将被测件的信号接入到示波器或者矢量网络分析仪时，需要使用高质量的夹具以减小对信号的影响。

图5 RT-ZF7A夹具示意图

针对此连接的需求，也提供了RT-ZF7A夹具。如图5所示，RT-ZF7A具备优秀的射频性能，一端通过焊接方式连接不同类型被测接口，另一端通过标准SMA接口连接线缆至示波器端口，保证信号完整性。

综上所述

我们提供高带宽示波器和矢量网络分析仪，并且具备完善的从10M速率至10G速率的车载以太网一致性测试方案。另外，针对工程师调测总线的需求，示波器也具备100BASE-T1和1000BASE-T1的触发解码软件以及夹具，帮助工程师从容应对新型车内总线的研发与测试工作。

来源:汽车以太网技术研究实验室

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