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車載以太網一致性測試方案
閱讀：204 發布時間：2024-8-5
近年來，主要受信息娛樂系統，先進的駕駛員輔助系統（ADAS），動力傳動系統和車身電子設備的推動，汽車的電氣系統越來越復雜。每次性能的提高都需要更快的數據傳輸速率，由于當今車輛中的各種電子控制單元（ECU）之間需要共享大量的實時數據，車載以太網應運而生。
與同為汽車總線的CAN/LIN低速背板不同，車載以太網需要進行一致性測試，根據IEEE和OPEN 聯盟的規定，車載以太網的物理層（PHY）根據速率被分為了百兆車載以太網(100BASE-T1)和千兆車載以太網(1000BASE-T1)。
一、難點與挑戰
不論是100BASE-T1還是1000BASE-T1的測試，都涉及到多臺設備協同工作，這對于產品的相互控制進行測試項的配置和數據的讀寫都有了更高的要求，對于公司的產品豐富度也是一個挑戰。
對于自動化測試應用，能夠穩定地自動捕獲信號是一大挑戰，工程師花費了數千小時來學習標準并且創建了自動化、重復性強的一致性測試。這些一致性測試軟件可以根據IEEE/OPEN Alliance規范自動執行物理層測試。
車載以太網一致性測試常見測試項有：
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）新串行總線數據速率的更高要求
隨著數據速率的提高，數據和時鐘線之間愈發嚴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。
較新的串行總線結構正在迅速取代高速數字系統的并行總線結構，這些協議配有嵌入式時鐘，可以實現簡單路由以及每個引腳更高帶寬的目標。
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據速率。
（二）物理層元器件的影響不可忽視
隨著串行互連的數據速率增加，從 0 邏輯電平到 1 邏輯電平的數據瞬變上升時間變短。這種較短的上升沿在傳輸線的阻抗不連續處會造成很大的反射，從而使遠端的眼圖效果變差。因此，在設計電路時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。
實際上，在很多情況下，芯片的速度已經快到使得物理層器件成為瓶頸。為了在整個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，差分傳輸線加上高速數據的微波效應讓工程師對新的設計和驗證工具提出了需求。
我們迫切地需要一個測試測量解決方案，以便對高速數字互連中看到的復雜微波特性進行簡單的表征，一致性驗證應運而生。
（三）車載以太網中更為嚴格的傳輸要求
與傳統工業以太網相比，車載以太網僅需要使用1對雙絞線，而工業以太網則需要多對，線束較多。同時，工業以太網一般使用RJ45連接器連接，而車載以太網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，車載以太網物理層需滿足車載環境下更為嚴格的EMC要求，對于非屏蔽雙絞線的傳輸距離需達到15m（屏蔽雙絞線達40m）。面對如此嚴格的傳輸要求，業界統一了接口標準，也就是車載以太網物理層一致性驗證的標準。
以太網控制器和物理介質連接的模塊叫做物理層，在出廠之前，制造商必須驗證以太網接口的一致性，確保接口的正確的電氣性能。
（四）不滿足規范要求的產品可能會導致車載以太網信號質量惡化、通信異常，或導致嚴重EMC問題。
對于芯片供應商，滿足IEEE/OPEN聯盟標準要求是其產品進入市場的準入門檻；對于OEM廠商的ECU產品開發周期漫長，符合規范的PHY芯片可以有效加快產品投放速度，芯片再集成到ECU后，也需要進行一致性測；對于整車廠商，為了保證整車的電子性能，同樣對ECU產品中車載以太網單元有嚴格的一致性測試驗證需求。
三、車載以太網物理層驗證概述
下面我們提供的車載以太網電氣一致性分析解決方案可以自動化進行電氣測試，從而節省寶貴的測試時間。
如何正確搭建測試環境、被測件（DUT：Device under test）應該發出怎樣的測試碼型、怎么通過與測試指標中給出的極限值進行對比來分析測量結果……這些都是需要解決的問題。
（重點）車載以太網電氣一致性分析方案，包括：
1、用戶可以執行單項或多項測試；
2、展示如何將示波器和被測設備連接；
3、為每個測試項目自動設置示波器；
4、顯示已執行測試的每個項目的詳細信息和通過標準；
5、可創建 HTML 或 XML 測試報告。
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生器，在回波損耗和模態轉換中需要用到矢量網絡分析儀，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行測試。
一致性測試的測試項目繁多，工程師往往不明白為什么要測試某些項目，更搞不明白這些項目差了一點會對產品的性能產生什么影響。
比如傳輸衰落(droop)，要求500ns內的電壓衰落在45%以內，但如果測試的結果是傳輸衰落為46%，怎么辦？
由于一致性測試要求的測試項目很多，在產品的開發調試階段，往往會更關注一些關鍵測試項目，如數據率、抖動測量，SDS7000A系列示波器支持進行單項測試并生成測試報告。
（重點）車載以太網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內的電壓峰值衰落，反映了電壓驅動能力。支持頻率和抖動測試，通過使被測件重復傳輸{+1，- 1}數據符號序列，來測試PHY發送時鐘頻率，并從中計算出MDI上信號的時間間隔誤差。
2、傳輸失真測試：
使用鼎陽科技的SDG系列任意波形發生器來對干擾信號進行校準并將其添加到DUT發送的信號中。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行采樣，并使用標準參考中提供的MATLAB代碼處理任意2047個連續采樣的點來確定傳輸失真。該項測試反映了差分信號的抗干擾能力。
3、回波損耗測試：
該項測試需要用到矢量網絡分析儀，鼎陽的一致性測試軟件支持示波器控制矢量網絡分析儀進行自動化測試。此測試項主要是驗證在MDI接口處因阻抗不連續造成的信號反射是否符合標準要求，所以測試夾具和被測樣件之間的“鏈路"的品質對測試結果的影響很大。
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。對于有些串行數據，在測試不同項目時需要改變夾具的連接方式，有時 還需要用到多塊夾具共同作用。測試夾具能夠根據規范要求布置電路和阻抗匹配，為DUT提供合適的連接接口，同時也為示波器探頭提供合適的探測點。
事實上，在不進行一致性測試，譬如調試信號時，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，負責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）被測設備發包
一致性測試的難點之一是發包問題。一致性測試是一種強制性測試，必須要發出規定的波形去測試才能得到標準中的結果，如果每個人都按照自己的工作信號來進行測試，那就找不到“一致性"的標準了。
對于各類主流的網卡芯片，可以通過修改相關寄存器或使用芯片廠商提供的發包工具來控制發包，從而控制被測件發出對應的波形進行測試，所以幾乎每種被測件都有自己特別的發包方式。
五、配置指南
SDS7000A-CT-100BASE-T1/ SDS7000A-CT-1000BASE-T1目前僅支持SDS7000A系列示波器，根據不同的測試需求需要使用額外的硬件。
下表列出了規范的要求，同時列出了鼎陽科技為該類測試提供的相應的測試測量儀器。
符合100BASE-T1標準的配置訂單實例
符合1000BASE-T1標準的配置訂單實例