作者丨鼎陽科技 張賀陽
引言
近年來，主要受信息娛樂系統(tǒng)，先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和車身電子設(shè)備的推動(dòng)，汽車的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜。每次性能的提高都需要更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，由于當(dāng)今車輛中的各種電子控制單元（ECU）之間需要共享大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，車載以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。
與同為汽車總線的CAN/LIN低速背板不同，車載以太網(wǎng)需要進(jìn)行一致性測(cè)試，根據(jù)IEEE和OPEN 聯(lián)盟的規(guī)定，車載以太網(wǎng)的物理層（PHY）根據(jù)速率被分為了百兆車載以太網(wǎng)(100base-T1)和千兆車載以太網(wǎng)(1000base-T1)。
1、難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
不論是100base-T1還是1000base-T1的測(cè)試，都涉及到多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作，這對(duì)于產(chǎn)品的相互控制進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)的配置和數(shù)據(jù)的讀寫都有了更高的要求，對(duì)于公司的產(chǎn)品豐富度也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
對(duì)于自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用，能夠穩(wěn)定地自動(dòng)捕獲信號(hào)是一大挑戰(zhàn)，工程師花費(fèi)了數(shù)千小時(shí)來學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)并且創(chuàng)建了自動(dòng)化、重復(fù)性強(qiáng)的一致性測(cè)試。這些一致性測(cè)試軟件可以根據(jù)IEEE/OPEN Alliance規(guī)范自動(dòng)執(zhí)行物理層測(cè)試。
車載以太網(wǎng)一致性測(cè)試常見測(cè)試項(xiàng)有：
l 基本的一致性測(cè)試
l 失真測(cè)試
l 回波損耗測(cè)試
2、一致性測(cè)試的必要性
新串行總線數(shù)據(jù)速率的更高要求
隨著數(shù)據(jù)速率的提高，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線之間愈發(fā)嚴(yán)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(jié)構(gòu)正在迅速取代高速數(shù)字系統(tǒng)的并行總線結(jié)構(gòu)，這些協(xié)議配有嵌入式時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單路由以及每個(gè)引腳更高帶寬的目標(biāo)。
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(shù)據(jù)速率。
物理層元器件的影響不可忽視
隨著串行互連的數(shù)據(jù)速率增加，從 0 邏輯電平到 1 邏輯電平的數(shù)據(jù)瞬變上升時(shí)間變短。這種較短的上升沿在傳輸線的阻抗不連續(xù)處會(huì)造成很大的反射，從而使遠(yuǎn)端的眼圖效果變差。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)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(shí)際上，在很多情況下，芯片的速度已經(jīng)快到使得物理層器件成為瓶頸。為了在整個(gè)通道中保持信號(hào)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(shí)，差分傳輸線加上高速數(shù)據(jù)的微波效應(yīng)讓工程師對(duì)新的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具提出了需求。
我們迫切地需要一個(gè)測(cè)試測(cè)量解決方案，以便對(duì)高速數(shù)字互連中看到的復(fù)雜微波特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的表征，一致性驗(yàn)證應(yīng)運(yùn)而生。
車載以太網(wǎng)中更為嚴(yán)格的傳輸要求
與傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)相比，車載以太網(wǎng)僅需要使用1對(duì)雙絞線，而工業(yè)以太網(wǎng)則需要多對(duì)，線束較多。同時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)一般使用RJ45連接器連接，而車載以太網(wǎng)并未指定特定的連接器，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(wǎng)物理層需滿足車載環(huán)境下更為嚴(yán)格的EMC要求，對(duì)于非屏蔽雙絞線的傳輸距離需達(dá)到15m（屏蔽雙絞線達(dá)40m）。面對(duì)如此嚴(yán)格的傳輸要求，業(yè)界統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)，也就是車載以太網(wǎng)物理層一致性驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。
以太網(wǎng)控制器和物理介質(zhì)連接的模塊叫做物理層，在出廠之前，制造商必須驗(yàn)證以太網(wǎng)接口的一致性，確保接口的正確的電氣性能。
不滿足規(guī)范要求的產(chǎn)品可能會(huì)導(dǎo)致車載以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量惡化、通信異常，或?qū)е聡?yán)重EMC問題。
對(duì)于芯片供應(yīng)商，滿足IEEE/OPEN聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)要求是其產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的準(zhǔn)入門檻；對(duì)于OEM廠商的ECU產(chǎn)品開發(fā)周期漫長(zhǎng)，符合規(guī)范的PHY芯片可以有效加快產(chǎn)品投放速度，芯片再集成到ECU后，也需要進(jìn)行一致性測(cè)；對(duì)于整車廠商，為了保證整車的電子性能，同樣對(duì)ECU產(chǎn)品中車載以太網(wǎng)單元有嚴(yán)格的一致性測(cè)試驗(yàn)證需求。
3、車載以太網(wǎng)物理層驗(yàn)證概述
鼎陽科技提供的車載以太網(wǎng)電氣一致性分析解決方案可以自動(dòng)化進(jìn)行電氣測(cè)試，從而節(jié)省寶貴的測(cè)試時(shí)間。
如何正確搭建測(cè)試環(huán)境、被測(cè)件（DUT：Device under test）應(yīng)該發(fā)出怎樣的測(cè)試碼型、怎么通過與測(cè)試指標(biāo)中給出的極限值進(jìn)行對(duì)比來分析測(cè)量結(jié)果……這些都是需要解決的問題。
鼎陽科技推出的車載以太網(wǎng)電氣一致性分析方案，包括：
- 用戶可以執(zhí)行單項(xiàng)或多項(xiàng)測(cè)試：
- 展示如何將示波器和被測(cè)設(shè)備連接；
- 為每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目自動(dòng)設(shè)置示波器；
- 顯示已執(zhí)行測(cè)試的每個(gè)項(xiàng)目的詳細(xì)信息和通過標(biāo)準(zhǔn)；
- 可創(chuàng)建 HTML 或 XML 測(cè)試報(bào)告。
示波器是一致性測(cè)試中使用到的最主要的工具。
其中失真、MDI回波損耗、MDI模式轉(zhuǎn)換和功率譜密度（PSD）測(cè)試還需要使用一些額外的儀器。在失真測(cè)試中需要用到信號(hào)發(fā)生器，在回波損耗和模態(tài)轉(zhuǎn)換中需要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在功率譜密度測(cè)試中，為了提高測(cè)量的精度，可以選擇使用頻譜分析儀來進(jìn)行測(cè)試。
一致性測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)目繁多，工程師往往不明白為什么要測(cè)試某些項(xiàng)目，更搞不明白這些項(xiàng)目差了一點(diǎn)會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生什么影響。
比如傳輸衰落(droop)，要求500ns內(nèi)的電壓衰落在45%以內(nèi)，但如果測(cè)試的結(jié)果是傳輸衰落為46%，怎么辦？
由于一致性測(cè)試要求的測(cè)試項(xiàng)目很多，在產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試階段，往往會(huì)更關(guān)注一些關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目，如數(shù)據(jù)率、抖動(dòng)測(cè)量，SDS7000A系列示波器支持進(jìn)行單項(xiàng)測(cè)試并生成測(cè)試報(bào)告。
車載以太網(wǎng)一致性測(cè)試軟件支持以下測(cè)試：
幅度測(cè)試：
傳輸衰落測(cè)試測(cè)量了500ns內(nèi)的電壓峰值衰落，反映了電壓驅(qū)動(dòng)能力。支持頻率和抖動(dòng)測(cè)試，通過使被測(cè)件重復(fù)傳輸{+1，- 1}數(shù)據(jù)符號(hào)序列，來測(cè)試PHY發(fā)送時(shí)鐘頻率，并從中計(jì)算出MDI上信號(hào)的時(shí)間間隔誤差。
傳輸失真測(cè)試：
使用鼎陽科技的SDG系列任意波形發(fā)生器來對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)并將其添加到DUT發(fā)送的信號(hào)中。引入干擾信號(hào)后通過示波器對(duì)差分輸出信號(hào)用任意相位進(jìn)行采樣，并使用標(biāo)準(zhǔn)參考中提供的MATLAB代碼處理任意2047個(gè)連續(xù)采樣的點(diǎn)來確定傳輸失真。該項(xiàng)測(cè)試反映了差分信號(hào)的抗干擾能力。
回波損耗測(cè)試：
該項(xiàng)測(cè)試需要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，鼎陽的一致性測(cè)試軟件支持示波器控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。此測(cè)試項(xiàng)主要是驗(yàn)證在MDI接口處因阻抗不連續(xù)造成的信號(hào)反射是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所以測(cè)試夾具和被測(cè)樣件之間的“鏈路”的品質(zhì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響很大。
4、操作步驟
第一步：選擇要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)。
可以選擇同一協(xié)議測(cè)試中的全部測(cè)試項(xiàng)，也可以指定單個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。也可以將測(cè)試和配置保存為配置文件以便之后重新調(diào)用，這樣有助于提升測(cè)試速度，也有助于驗(yàn)證之前的測(cè)試結(jié)果。
如需選擇測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量類型，可以通過配置中的按鈕進(jìn)行選擇。
第二步：配置被測(cè)物進(jìn)入相應(yīng)的測(cè)試模式，發(fā)送特定的信號(hào)。
不同測(cè)試項(xiàng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試模式如下表所示：
100base-T1測(cè)試模式對(duì)應(yīng)表
1000base-T1測(cè)試模式對(duì)應(yīng)表
第三步，根據(jù)接線圖搭建測(cè)試環(huán)境。
一致性測(cè)試支持使用差分探頭和SMA進(jìn)行測(cè)試并且搭配有不同的連接方式指引，可以滿足更豐富的測(cè)試環(huán)境。連接圖中包括了DUT、線纜以及在不同測(cè)試項(xiàng)中使用到的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器。
當(dāng)同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試需要更改連線時(shí)，連接方式會(huì)以彈窗的形式彈出提示更改連線和測(cè)試模式并顯示相關(guān)的連接圖。
第四步，查看結(jié)果并生成報(bào)告。
在完成測(cè)量和計(jì)算后，示波器將會(huì)將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出來，不僅顯示被測(cè)件在特定的測(cè)試中是否合格（pass/fail），還給出了該產(chǎn)品超出或者距離合格標(biāo)準(zhǔn)的余量。
可以將測(cè)試報(bào)告以HTML或者XML的格式導(dǎo)出，報(bào)告中會(huì)記錄每項(xiàng)測(cè)試的細(xì)節(jié)，包括峰峰值、標(biāo)準(zhǔn)差、統(tǒng)計(jì)次數(shù)和平均值。
5、一致性測(cè)試的共性問題
如何將信號(hào)引入示波器
對(duì)于絕大部分一致性測(cè)試方案，都需要使用夾具和測(cè)試線纜、探頭將信號(hào)從DUT引到示波器中。對(duì)于有些串行數(shù)據(jù)，在測(cè)試不同項(xiàng)目時(shí)需要改變夾具的連接方式，有時(shí)還需要用到多塊夾具共同作用。測(cè)試夾具能夠根據(jù)規(guī)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(shí)也為示波器探頭提供合適的探測(cè)點(diǎn)。
事實(shí)上，在不進(jìn)行一致性測(cè)試，譬如調(diào)試信號(hào)時(shí)，也可以使用夾具來將信號(hào)引到示波器。不論是哪種一致性測(cè)試，都會(huì)有一部分來測(cè)量差分對(duì)的電氣特性，負(fù)責(zé)這一部分的夾具就是將難以用示波器探頭測(cè)量的線纜引導(dǎo)了夾具的測(cè)試線纜和探頭接口中，可以通過這種方式來測(cè)量線纜中差分對(duì)的信號(hào)。
被測(cè)設(shè)備發(fā)包
一致性測(cè)試的難點(diǎn)之一是發(fā)包問題。一致性測(cè)試是一種強(qiáng)制性測(cè)試，必須要發(fā)出規(guī)定的波形去測(cè)試才能得到標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)果，如果每個(gè)人都按照自己的工作信號(hào)來進(jìn)行測(cè)試，那就找不到“一致性”的標(biāo)準(zhǔn)了。
對(duì)于各類主流的網(wǎng)卡芯片，可以通過修改相關(guān)寄存器或使用芯片廠商提供的發(fā)包工具來控制發(fā)包，從而控制被測(cè)件發(fā)出對(duì)應(yīng)的波形進(jìn)行測(cè)試，所以幾乎每種被測(cè)件都有自己獨(dú)特的發(fā)包方式。
配置指南
SDS7000A-CT-100base-T1/ SDS7000A-CT-1000base-T1目前僅支持鼎陽SDS7000A系列示波器，根據(jù)不同的測(cè)試需求需要使用額外的硬件。
下表列出了規(guī)范的最低要求，同時(shí)列出了鼎陽科技為該類測(cè)試提供的相應(yīng)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器。
完全符合100base-T1標(biāo)準(zhǔn)的最低配置訂單實(shí)例
完全符合1000base-T1標(biāo)準(zhǔn)的最低配置訂單實(shí)例
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SIGLENT
深圳市鼎陽科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱“鼎陽科技”，股票代碼：688112）是國家重點(diǎn)“小巨人”企業(yè)，是全球極少數(shù)具有數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四大通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器企業(yè)，同時(shí)也是國內(nèi)極少數(shù)同時(shí)擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線進(jìn)入高端領(lǐng)域的企業(yè)。公司總部位于深圳，在美國克利夫蘭、德國奧格斯堡和日本東京成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武漢、南京設(shè)立了辦事處，產(chǎn)品及服務(wù)遠(yuǎn)銷全球80多個(gè)國家及地區(qū)。
鼎陽硬件智庫
鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫（簡(jiǎn)稱鼎陽硬件智庫）由深圳市鼎陽科技股份有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦，是中國第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫。
鼎陽硬件智庫順時(shí)順勢(shì)，倡導(dǎo)“連接-分享-協(xié)作-創(chuàng)造”的理念，高舉志愿者服務(wù)的大旗，相信互聯(lián)網(wǎng)是“愛”的大本營，相信人們都有發(fā)自內(nèi)心分享的愿望。
鼎陽硬件智庫選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問題：電源，時(shí)鐘，DDR，低速總線，高速總線，EMC，測(cè)試測(cè)量進(jìn)行聚焦。尋找“最針尖”的問題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問題組織專家答疑，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富，惠及更多硬件人。
鼎陽硬件智庫，群策群力，連接所有硬件人。
有硬件問題，找鼎陽硬件智庫。
