更简单的调试汽车以太网系统

新技术让工程师在没有摇摇欲的情况下检查高速数据流量。

达尔山梅哈塔，Tektronix Inc.
唯一的驾驶员辅助系统（ADAS），智能安全系统和自主车辆功能的唯一方法是通过使用可靠的车载网络和高带宽连接。现在可以包含多达100个电子控制模块（ECU）监控传感器，通过电缆线束码。传统的汽车网络如CAN，CAN-FD，LIN，大多数和FlexRay根本不提供足够的带宽来支持定义现代车辆的所有设备和应用，远使未来的自主高度相连的汽车。

因此，有一个行业宽阔的汽车以太网。虽然汽车标准起源于以太网，但它包含了物理层的重大变化，以满足汽车需求。标准的第一个版本称为Broadr-Reach，并由称为100Base-T1（802.3bw）和1000base-t1（802.3bp）的IEEE版本供应。

该标准设计为今天的大多数汽车是100base-t1，它在嘈杂的汽车环境中支持100 Mbps操作。这种数据速率明显高于传统总线系统，如CAN总线。未来的设计将使用1000base-t1，以10x数据速率。由于信令移动到更高的数据速率，因此，也是在系统级别进行综合设计验证的需求。验证确保跨越各种ECU和传感器的互操作性和可靠的操作。在相同的静脉中，在过去安全地忽略了设计考虑因素现在开始。

为了实现更大的信号带宽，汽车以太网通过双绞线使用全双工通信链路，通过PAM3信号同时具有发送和接收能力。使用PAM3信令的全双工通信会使汽车以太网流量的可视化和信号完整性测试复杂化。有益的是，有一种新方法可以简化系统级全双工通信的测试，从而不必将电缆作为获得全双工信号的手段。

系统级测试

开放式（单对以太网）联盟已定义包括组件，通道和互操作性的汽车以太网的规范，并包含ECU，连接器和未驾销电缆的集成。为了满足可靠性要求，测试必须在车辆内的嘈杂情况下进行。反过来，这种测试要求测试人员在实际条件下的系统级别表征和可视化信号完整性和流量。

系统级别的信号完整性测试可能带来优势的示例包括：
TC8 (Technical Committee 8)信号质量检测
ECU分量表征和测试
汽车以太网电缆，连接器，电缆长度和路由表征和测试
电磁敏感性（EMS）测试或高斯噪声测试
散装电流注射测试
生产单元测试
汽车系统对汽车以太网性能的影响
直流电机开/关
发动机开/关
汽车以太网系统调试

理想情况下，您应该在车辆集成阶段进行信号完整性测试，以选择电缆，确定最佳电缆长度和路由，在电磁噪声存在的情况下检查ECU性能，等等。为了可视化系统的健康状况，示波器生成的眼图是最有价值的工具。它还提供对物理层(PHY)总体运行状况的了解，并有助于识别由高温或噪声引起的错误。此外，在使用将CAN或其他传统总线转换为汽车以太网的网关时，在系统级别上精确的定时测量对于确定延迟非常关键，反之亦然。

汽车以太网的100 MB / SEC数据速率要求示波器，其中包含至少1 GHz的带宽以及高采样率。对于1000Base-T1，必要的带宽位于2GHz范围内。理想情况下，范围应配备PAM3分析软件包，具有软件时钟恢复。这些能力更好地了解对具有不同电缆长度，噪声条件或ECU配置的PAM3设计的验证和表征的信号质量。

全双工通信和PAM3信令虽然对汽车以太网的性能至关重要，但也使ecu在真实环境下的验证复杂化。大多数串行标准以单工模式运行，一次只有一个设备通信，或将单独的链路连接到发送器和接收器。然而，在汽车以太网中，主设备和从设备在同一条链路上同时通信。

结果，来自主设备和从属覆盖的信号彼此相互覆盖。主人知道它已发送的数据，因此它可以分开从属的信号。收发器旨在处理这种情况，但在示波器上几乎不可能隔离信号完整性测试或协议解码的信号。

要在实际系统环境中通过链路和解码协议分析信号完整性，汽车设计人员必须单独查看每个链路。这需要在执行分析之前分离信号。

目前，有两种用于分离主信号和从信号的方法。首先，传统方法，需要切割汽车以太网电缆并在双绞线的每根线中拼接定向耦合器以分离和测试信号。技术人员必须在物理上切割电缆以实现测试，这引入了准确性问题。

切割电缆并不容易，这使得这种方法比大多数系统级测试应用程序更少。虽然这种方法确实提供对主信号和从信号的访问，但它引入了插入和返回损耗，这可能使得难以确定额外硬件是否产生错误。并且，虽然可以去除定向耦合器的效果，但是除嵌入（基本上，从数据中除去测试夹具的效果）可以放大系统中的噪声并降低测量和表征精度。

最近，测试制造商已经设计了软件和探针以非侵入性地分离信号，允许工程师以更清晰的清晰度可视化真实信号。所涉及的连接包括监测双绞线的一个电感电流探针和放置在双绞线上的差分探针。

但是，关于这种新方法是否比旧定向耦合器技术更准确。要直接比较这两个，我们首先使用基于软件的方法进行测试。然后，我们用SMA连接器切开了汽车以太网电缆并插入了方向耦合器。我们使用了相同的测试条件并比较了测试结果。

使用定向耦合器获得的眼图示出了插入和返回损耗的影响。最大幅度仅为100 mV_页作为定向耦合器和插入和返回损耗关闭眼图。

相比之下，软件方法使用一种算法从主测试点和从测试点分离电压和电流波形。这种方法为汽车以太网信号提供了更准确的表示，有助于在更短的时间内以更大的信心识别潜在的性能问题。

峰值峰值比较

峰峰值电压的比较显示了两种方法之间的显着幅度差。使用定向耦合器时，幅度约为90 mV_页对于掌握和85 mV_页对于奴隶。相比之下，软件方法的幅度约为1.5 V_页对于主人和1.45 v_页对于奴隶。因此，定向耦合器通过20dB减小信号强度，在评估边缘情况时显着损耗。

测试人员必须弥补定向耦合器引入的插入和返回损耗。由此产生的去嵌入过程可能是耗时和挑战性的。还应注意，在实际车辆工作时，切割电缆并安装定向耦合器可能是具有挑战性的。

相比之下，如图所示的基于软件的方法显示了不破坏系统的真实信号。这种新的汽车以太网测试方法将允许工程师更快，更准确地表征信号。该方法克服了许多与在系统级别执行汽车以太网信号完整性测试相关的挑战，并打开了一系列难以执行的新用例。

回顾一些通过基于软件的方法进行的更高级的测试是有用的。例如，100/1000BASE-T1规范定义了需要VNA的回波损耗测量。汽车以太网测试软件允许设计师使用示波器执行回波损耗测量，减少了对额外测试设备的需要。

规范中定义的失真测试需要访问ECU时钟，这通常是不切实际的。特殊的软件校正方法消除了对100BASE-T1和1000BASE-T1的时钟连接的需求。

该规范的另一部分定义了返回损耗测试，该测试确定了以太网线路阻抗与100 Ω的差分阻抗规范的差异，因为不匹配将影响硬件的互操作性。VNA可以运行这个测试，但配备了软件解决方案的示波器也可以执行，不需要VNA。

最后一个例子是功率谱密度（PSD）测量的示例。内置示波器软件计算输入信号的光谱。信号后处理产生PSD。然后将计算的PSD与使用掩模的规范进行比较。

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