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2019年04月01日 | 如何应对车载以太网调试的挑战
2019-04-01
从信息娱乐系统到高级驾驶辅助系统 (ADAS)，如今汽车的诸多功能都离不开大量的数据流信息，而 CAN 总线等既有汽车总线架构的容量愈发不足以支撑如此庞大的数据流量。因此，为响应市场需求，汽车行业开发了一版通用性的车载以太网网络标准。
然而，车载以太网的调试却并非易事，开发人员不得不寻求全新的测试解决方案。如今，IEEE 802.3bw 工作组已对基于 BroadR-Reach 技术的 100BASE-T1 以太网接口成功进行标准化。基于这一全新标准的车载网络为汽车行业带来了诸多变化，例如数据传输率达到 100 Mbit/s，相比传统总线系统大幅提升。
100BASE-T1 通过非屏蔽以太网双绞线进行全双工以太网通信，其信号采用 PAM-3 调制方式，差分信号电平介于 –1V 和 +1V 之间。传送的信号必须经均衡器进行预失真处理，以确保最大限度地减少非屏蔽电缆的射频泄漏，实现可靠传输。而正是这种针对 100BASE-T1 以太网信号广泛进行的预失真处理，使得开发人员难以仅通过分析电信号来判断总线数据传输的有效性。
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图 1a（左）：差分 100BASE-Tx 信号，三个电平和信号过渡处陡峭的边缘清晰可见。来源：罗德与施瓦茨
图 1b（右）：车载 100BASE-T1 信号，预失真处理使得 PAM-3 信号的三个电平不总是清晰可见。来源：罗德与施瓦茨
车载以太网测试所面临的挑战
在标准化的合规性测试中，测试人员需要使用示波器和网络分析仪测量 100BASE-T1 接口的电气特性。以太网协议分析工具可记录所有以太网数据流量，通常用于验证电子控制单元 (ECU) 能否正确处理通信。但除此之外，由于传输错误仅以报文错误的形式出现，因而很难对根本原因进行深入分析。
为解决这一问题，通常需要为所选示波器配备相应的触发和解码套件。使用罗德与施瓦茨公司的 100BASE-T1 总线触发和解码套件，开发人员可以直接将电信号与传送的报文内容关联在一起，从而就像在传统CAN 总线上一样，轻松调试汽车以太网应用中总线上出现的问题。
应对测试挑战
在 100BASE-T1 通信中，双向数据流通过一条双绞线同时传输，因此在总线上测得的任何信号都由两组数据流叠加而成。要分析这两组数据流，必须使用定向耦合器（如 R&S RT-ZF5 以太网探测夹具）将数据流分离。将探头接入以太网通信线路中的分离数据流，即可使用示波器以非侵入方式记录 100BASE-T1 通信。
图 2：R&S RT-ZF5 以太网探测夹具能够将 100BASE-T1 通信的全双工数据流分离。来源：罗德与施瓦茨
图 3：100BASE-T1 全双工通信的解码。MAC 帧以彩色显示，空闲帧以灰色显示。来源：罗德与施瓦茨
为确保数据流在非屏蔽双绞线上可靠传输，由探头提取的信号流仍须经 100BASE-T1 发送器中的均衡器进行预失真处理，再经示波器进行均衡处理，恢复未失真状态，然后提取并显示传送的数据报文和空闲帧。 由于 100BASE-T1 信号与报文内容相关联，再结合丰富的触发功能（如显示根据特定来源和目标地址隔离的报文），可以实现强大的分析和诊断能力，满足车载以太网日益增长的需求。
图 4：此屏幕截图显示了与解码报文内容相关联的差分 100BASE-T1 信号的两种电平。来源：罗德与施瓦茨
100BASE-T1 解码
通过 100BASE-T1 解码，可以确定总线通信与其他信号之间的时序关系。例如，通过在 12 V 电源电压上触发示波器并测量第一个有效报文到达前经过的时间，用户可以确定 ECU 的启动时间。也可以使用类似的方法来验证总线通信的稳定性。在这种情况下，开发人员可以配置由电源电压的短期中断触发示波器，然后分析由此产生的总线通信异常的次数。
电磁干扰可能引起偶发的总线错误，如果没有进一步分析，很难调试这些错误。但通过 100BASE-T1 通信解码，开发人员可以借助测量结果的时序相关性来识别来自干扰源的耦合，从而分析所有 OSI 协议层的总线通信。
在图 5 的测量中，记录开始时，100BASE-T1 信号的 MAC 帧和空闲帧均正确发送。但随后发生数据流中断。在较低信号处绘制出干扰信号的频谱（灰色标记的区域），峰值在 2 MHz 处清晰可见，正是这个干扰信号导致总线中断。基于协议的解码功能与示波器提供的其他分析工具（如频谱分析）相结合，使得间歇性干扰等复杂问题的调试更加容易。
图 5：结合使用协议分析和频谱分析，精准发现总线通信中的偶发中断。来源：罗德与施瓦茨
总结
随着数据传输率的提升，汽车通信变得愈发复杂。100BASE-T1 车载以太网标准的出现解决了现有车载总线系统的带宽问题，但同时也带来了更复杂的调试挑战。
罗德与施瓦茨开发出一款用于调试 100BASE-T1 信号的触发和解码套装选件，搭配用于非入侵式信号访问的探测夹具。该工具使开发人员能够将电信号测量结果与所发送报文的解码内容直接关联，使用户可以在调试期间分析协议内容，并快速找出引发总线错误的原因。
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