使用示波器的汽车以太网物理层调试案例

简介/ 汽车以太网物理层调试

车载电子设备越来越多地使用车载以太网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。以下是在Inspectron公司进行的汽车以太网调试研究案例，该公司设计并制造内窥镜、嵌入式 Linux 系统和摄像检测工具。

1汽车以太网硬件调试配置

汽车以太网信号路径是双向的(一根双绞线上的全双工)，因此硬件收发器必须能够通过从复合信号中减去自己的向外数据部分来辨别出传入数据。如果直接探测汽车以太网数据线就会获得类似总线碰撞的杂乱叠加。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的硬件配置，两个被测汽车以太网设备(DUT)分别是 ROCAM 迷你高清显示器和树莓派(带100Base-TX到100Base-T1 桥接器)， 树莓派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100欧姆差分线对转换为两个50欧姆单端SMA连接器。每个DUT的一对SMA电缆都连接到校准过的有源夹具(Teledye LeCroy TF-AUTO-ENET)上。该夹具保持不间断的通信链路，而两个经过校准和具备软件增强功能的硬件定向耦合器则将每个方向的流量分离为单独的数据流，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

图1(a)用于调试汽车以太网设置的硬件配置包括两个DUT、将汽车以太网转换为SMA的无源夹具，以及校准过的带双向耦合器的有源夹具，以隔离每个方向的流量。示波器将分析上行和下行流量 (b)测试装置框图

2确定信号丢失的位置

ROCAM 迷你高清显示器和树莓派之间出现了间歇性信号丢失，捕捉间歇性数据传输中断的一种方法是硬件Dropout。在图2中，如果在200纳秒内没有信号边沿越过阈值电压，就会触发示波器。以200ns/div缩放的两条放大轨迹显示了触发点在前一个汽车以太网边沿右侧的一个分格处。在重新开始数据传输之前，信号丢失了大约 800 纳秒。需要注意的是，由于汽车以太网 100Base-T1是三幅度电平(+1、0、-1)的 PAM3信号，因此眼图中包含超过 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)，但信号丢失触发位置的放大轨迹显示出信号丢失的位置。

图2

图2眼图显示的是干净的汽车以太网 100Base-T1信号，而Dropout触发器可识别和定位信号丢失事件。

3串行信号的幅度调制

异常幅度调制或基线漂移问题通常可以通过在高阈值(略高于逻辑 +1电压电平)上触发来捕捉(对于来自分离差分信号的同相输入)。汽车以太网信号出现间歇性异常幅度调制，图 3 展示了将边沿触发设置在略高于预期最高电压电平处捕获到的一个实例。从符号中心的眼图截取的垂直切片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。波形下方的眼图测量参数表也显示出上下眼图的眼图宽度不对称。

图3

图3右下方的三个红色柱状图显示了间歇性异常幅度调制导致的眼图不对称，边沿触发器设置到高电压阈值，捕捉到异常幅度调制的一个实例

4信号幅度间歇性降低

在调试过程中发现了一个故障，即信号幅度会降低到预期的50%，这个问题最初是通过眼图检测到的，其中眼图出现了塌陷。为了及时发现问题发生的位置，设置了一个阈值电平约为汽车以太网信号幅度80%的信号dropout触发器。当信号下降到幅度的一半时，dropout触发器就会捕捉到这一事件，并显示出发生点的幅度下降情况。在捕获的原始波形上叠加的放大波形显示时域波形的信号完整性很差，这也体现在眼图上。

图4

图4使用阈值设置为波形幅度约80%的 Dropout触发器捕捉汽车以太网幅度降低的发生位置。从眼图和放大波形中可以看出，幅度降低信号的信号完整性很差。

5应对真实的汽车以太网应用场景

汽车以太网设计中的物理层问题可能难以发现、难以检测。本文概述了在实施汽车以太网网络过程中出现的几种实际情况，并介绍了用于识别每种类型问题及其发生时间的具体技巧。这是通过结合使用触发、放大、眼图、统计分布和测量参数来实现的。

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