汽车以太网正越来越多地用于车载电子设备，在互连设备和组件之间传输高速串行数据。由于数据传输速率相对较快，而且联网设备复杂多变，因此经常会出现信号完整性问题。本文概述了几个实际挑战，并深入介绍了如何使用示波器识别和调试汽车以太网物理层信号完整性问题。
汽车以太网正越来越多地用于车载电子设备，在互连设备和组件之间传输高速串行数据。由于数据传输速率相对较快，而且联网设备复杂多变，因此经常会出现信号完整性问题。本文概述了几个实际挑战，并深入介绍了如何使用示波器识别和调试汽车以太网物理层信号完整性问题。以下是Inspectron公司进行的汽车以太网调试案例研究，该公司设计和制造内窥镜、嵌入式Linux系统和摄像检测工具。
汽车以太网硬件调试配置
汽车以太网信号路径是双向的(单对双绞线全双工)，因此硬件收发器必须通过从复合信号中减去自己的传出数据来分辨传入数据。如果直接探测汽车以太网数据线，就会获得类似于总线冲突的混乱叠加。为了理解发送的各个信号，可以使用双向耦合器。
图1显示了用于调试汽车以太网设置的硬件配置。两个被测汽车以太网设备(DUT)分别是ROCAM公司的迷你高清显示器和Raspberry Pi(带100Base-TX至100Base-T1桥接器)。Raspberry Pi用于模拟以太网摄像头。来自DUT的双绞线连接到转接板上，转接板将单个100Ω差分线对拆分成两个50Ω单端SMA连接器。每个DUT都有一对SMA电缆连接到校准过的有源分线夹具(Teledyne LeCroy公司的TF-AUTO-ENET)上。分线夹具保持不间断的通信链路，而两个经过校准和软件增强的硬件定向耦合器则将来自每个方向的流量分流为单独的数据流，从而将来自每个方向的汽车以太网流量隔离开来，以便在示波器上进行分析。
图1：(a)用于调试汽车以太网设置的硬件配置包括两个DUT、从汽车以太网转接到SMA的无源夹具，以及带双向耦合器的校准有源分线夹具，用于隔离来自每个方向的流量。示波器将分析上行和下行流量。(b)测试设置框图。(来源：Teledyne LeCroy)
识别信号丢失发生的位置
ROCAM迷你高清显示器和Raspberry Pi之间发生了间歇性信号丢失。捕获数据传输间歇性丢失的一种方法是硬件漏失触发。在图2中，如果在200ns内没有信号边缘越过阈值电压，则将启动漏失触发以触发示波器。两个缩放到200ns/div的缩放迹线显示了触发点在前一个汽车以太网边缘右侧的一个分格处。在重新开始数据传输之前，信号丢失了大约800ns。请注意，由于汽车以太网100Base-T1是三强度电平(+1、0、-1)的PAM3信号，因此眼图中超过192,000比特的眼图仍然显示出良好的信号完整性(数据丢失与“0”符号混合在一起)，但漏失触发位置的缩放迹线揭示了信号丢失的位置。
图2：眼图显示了清晰的汽车以太网100Base-T1信号，而漏失触发可识别和定位信号丢失事件。(来源：Teledyne LeCroy)
串行数据的幅度调制
异常幅度调制或基线漂移问题通常可以通过在略高于+1逻辑电压电平(对于来自分路差分信号的非反相输入)的高阈值处触发来捕获。汽车以太网信号出现了间歇性异常幅度调制，在将边缘触发设置为略高于最高预期电压电平时捕获了一个实例，如图3所示。从符号槽中心眼图的垂直切片中获取的红色直方图有三个峰值，显示三个电压电平中最低和最高电平的统计分布不对称，这是由于信号的间歇性异常幅度调制造成的。上眼和下眼之间的眼宽也存在不对称，在波形下方的眼图测量参数表中进行了标识。
图3：右下角网格中的三个红色直方图显示了间歇性异常幅度调制导致的眼图不对称。边缘触发器升至高电压阈值，捕捉到异常幅度调制的一个实例。(来源：Teledyne LeCroy)
信号幅度间歇性降低
在调试过程中，检测到一个故障，信号幅度会下降到预期水平的50%。这个问题最初是通过眼图检测到的，眼图出现了塌陷(图4)。为了及时检测问题发生的位置，设置了一个阈值水平约为汽车以太网信号幅度80%的信号丢失触发器。当信号下降到幅度的一半时，漏失触发就会捕捉到该事件，显示出发生点的幅度下降。从叠加在原始波形捕获上的缩放迹线可以看到，时域迹线中的信号完整性较差，塌陷的眼也显示了这一点。
图4：使用漏失触发捕获汽车以太网幅度减弱的发生位置，阈值设置为波形幅度的约80%。眼图和时间同步的缩放迹线都显示出幅度减小信号的信号完整性较差。(来源：Teledyne LeCroy)
解决实际的汽车以太网场景
汽车以太网设计中的物理层问题可能难以捉摸、难以检测。本文概述了在实施汽车以太网网络过程中发生的几种实际情况，并介绍了用于识别每种类型问题及其发生时间的具体技术。这需要结合使用触发、缩放、眼图、统计分布和测量参数。
Dave Van Kainen是Superior Measurement Solutions公司的创始合伙人，拥有劳伦斯理工学院(Lawrence Tech)的电气工程学士学位。
Mike Hertz是Teledyne LeCroy公司的现场应用工程师，拥有爱荷华州立大学的电气工程学士学位和亚利桑那大学的电气工程硕士学位。
Patrick Caputo是Inspectron, Inc.的首席产品架构师，拥有佐治亚理工学院的电气工程和物理学双学士学位以及电气与计算机工程硕士学位。
（原文刊登于EE Times姊妹网站EDN，参考链接：Practical tips for automotive ethernet physical layer debug，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子工程专辑》2024年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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