【汽車以太網(wǎng)測試】系列之一：全雙工通信帶來測試挑戰(zhàn)，泰克信號(hào)分割法讓你獨(dú)具慧眼

隨著汽車行業(yè)加快轉(zhuǎn)向汽車以太網(wǎng)技術(shù)，全方位設(shè)計(jì)驗(yàn)證對(duì)保證多個(gè)ECU之間的互操作能力和可靠運(yùn)行至關(guān)重要。汽車以太網(wǎng)概念是由OPEN聯(lián)盟SIG提出來的，也叫IEEE 802.3bw (原BroadR-Reach)，是為汽車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的一種以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，如高級(jí)安全功能、舒適和信息娛樂功能。通過汽車以太網(wǎng)，多個(gè)車載系統(tǒng)可以經(jīng)過一條非屏蔽單絞線電纜同時(shí)訪問信息。對(duì)汽車制造商來說，這一技術(shù)降低了聯(lián)網(wǎng)成本和線纜重量，同時(shí)提高了信號(hào)帶寬。

為實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)帶寬，汽車以太網(wǎng)在雙絞線電纜上采用全雙工通信鏈路，支持同時(shí)收發(fā)功能及PAM3信令。采用PAM3實(shí)現(xiàn)全雙工通信，可能會(huì)令查看汽車以太網(wǎng)業(yè)務(wù)及信號(hào)完整性測試變得非常復(fù)雜。

OPEN聯(lián)盟為元器件、信道和互操作能力制訂了汽車以太網(wǎng)測試規(guī)范。測試系統(tǒng)整合了電子控制單元(ECU)、連接器和非雙絞線電纜。測試要求系統(tǒng)在車內(nèi)苛刻的環(huán)境條件和噪聲條件下工作。為此，用戶必需能夠在系統(tǒng)級(jí)表征和查看信號(hào)完整性和業(yè)務(wù)，才能執(zhí)行可靠性測試?？蛻粜枰谙到y(tǒng)級(jí)進(jìn)行信號(hào)完整性測試的應(yīng)用實(shí)例有：

? TC8信號(hào)質(zhì)量測試

? ECU元器件表征和測試

? 汽車以太網(wǎng)電纜、連接器、電纜長度和路由表征和測試

? 電磁噪聲或高斯噪聲測試

? 大電流注入測試

? 生產(chǎn)單元測試

? 汽車系統(tǒng)對(duì)汽車以太網(wǎng)性能的影響

           -DC馬達(dá)開/關(guān)

           -發(fā)動(dòng)機(jī)開/關(guān)

? 汽車以太網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試

泰克建議在設(shè)計(jì)階段執(zhí)行信號(hào)完整性測試，在系統(tǒng)整合前確定潛在的問題。

圖1：汽車以太網(wǎng)全雙工通信鏈條。

全雙工通信和測試挑戰(zhàn)

全雙工通信及PAM3信令為在真實(shí)世界條件下驗(yàn)證ECU增加了復(fù)雜度。大多數(shù)串行標(biāo)準(zhǔn)都在單工模式下工作，一次只有一臺(tái)設(shè)備通信，有些通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)送和接收使用一條單獨(dú)的鏈路，而在汽車以太網(wǎng)中，主設(shè)備和從設(shè)備可以通過同一條鏈路同時(shí)通信。(參見圖1)

因此，來自主設(shè)備的信號(hào)與來自從設(shè)備的信號(hào)相互疊加。主設(shè)備知道它發(fā)送的是哪些數(shù)據(jù)，它可以從疊加的信號(hào)中確定從設(shè)備的信號(hào)，反之亦然。盡管收發(fā)機(jī)是為處理這種情況而設(shè)計(jì)的，但在示波器上隔離信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)完整性測試或協(xié)議解碼幾乎是不可能的。

主信號(hào)與從信號(hào)沒有分開時(shí)看到的汽車以太網(wǎng)信號(hào)。

為了在鏈路上進(jìn)行信號(hào)完整性分析，使用示波器在實(shí)際系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行協(xié)議解碼，汽車設(shè)計(jì)人員必需分開查看每條鏈路，用戶必須先把信號(hào)分開，然后再進(jìn)行分析。

應(yīng)該指出的是，最好在汽車整合階段執(zhí)行信號(hào)完整性測試，選擇電纜、檢查ECU在電磁噪聲條件下的性能，確定最優(yōu)的電纜長度和路由等。對(duì)這類分析，可以把眼圖測試作為非常重要的工具，來查看系統(tǒng)健康狀況，我們?cè)诤竺鎸?duì)此展開討論。

分隔汽車以太網(wǎng)PAM3信號(hào)

目前，有兩種方法把主信號(hào)與從信號(hào)分開。第一種是傳統(tǒng)方法，要求用戶斷開或剪斷汽車以太網(wǎng)電纜，插入定向耦合器來分隔和測試信號(hào)。這種方法在以最小干擾實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測試方面本身存在著缺陷。第二種方法也就是泰克信號(hào)分隔方法，這是一種新方法，采用先進(jìn)的軟件和探頭，非插入式分隔信號(hào)，用戶可以更清楚地查看真實(shí)的信號(hào)。這種方法克服了傳統(tǒng)定向耦合器方法的缺點(diǎn)。下面我們將討論并比較這兩種方法。

?● 定向耦合方法

如前所述，定向耦合器方法要求斷開汽車以太網(wǎng)電纜，輸入定向耦合器分隔信號(hào)。在系統(tǒng)級(jí)剪斷電纜并不是一件易事，因此這種方法并不適合進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測試。

通過這種方法，用戶可以查看主信號(hào)和從信號(hào)，但它引入了插損和回?fù)p，很難確定錯(cuò)誤是系統(tǒng)引起的，還是新增硬件引起的。此外，盡管我們可能能夠消除定向耦合器的影響，但反嵌可能會(huì)放大系統(tǒng)中的噪聲，影響測量和表征精度。

定向耦合器方法。

主信號(hào)的眼圖顯示了定向耦合器插損和回?fù)p的影響。

我們使用的設(shè)置包括把汽車以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換到SMA連接器的夾具、定向耦合器、把SMA轉(zhuǎn)換到汽車以太網(wǎng)電纜的夾具。

眼圖顯示了在安裝定向耦合器后插損和回?fù)p對(duì)汽車以太網(wǎng)信號(hào)的影響。最大幅度是100 mVpp，因?yàn)槎ㄏ蝰詈掀鞑捎枚ㄏ蛟砉ぷ?，插損和回?fù)p結(jié)果使眼圖閉合。直到最近，定向耦合器方法一直是默認(rèn)的汽車以太網(wǎng)測試方法，因?yàn)橹耙恢睕]有泰克基于軟件的信號(hào)分隔測試方法。

?● 泰克信號(hào)分隔方法

泰克信號(hào)分隔方法于2019年7月問世，它同時(shí)從主測試點(diǎn)和從測試點(diǎn)查看電壓波形和電流波形，來分隔全雙工信號(hào)，并采用專有軟件算法提供分隔后的信號(hào)。泰克信號(hào)分隔方法是一種基于軟件的解決方案，它不用剪斷汽車以太網(wǎng)電纜，用戶就能看到真實(shí)信號(hào)。這種方法的優(yōu)勢之一，是它可以顯示主信號(hào)和從信號(hào)，而不會(huì)像定向耦合器方法那樣增加插損和回?fù)p及反嵌影響。

泰克信號(hào)分隔方法。

下面的眼圖采用泰克信號(hào)分隔軟件。與定向耦合器眼圖相比，信號(hào)質(zhì)量更高，眼圖“更清楚”。用戶可以準(zhǔn)確地表示汽車以太網(wǎng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量測量，并能夠更快地確定潛在的性能問題。

采用泰克信號(hào)分隔軟件的主信號(hào)的眼圖。

信號(hào)分隔方法與定向耦合方法比較

我們使用上面提到的兩種測試方法，進(jìn)行測量測試，對(duì)比測試結(jié)果。

在測試中，我們先使用泰克信號(hào)分隔技術(shù)、一只電流探頭和電壓探頭設(shè)置和運(yùn)行測試。對(duì)定向耦合器方法，我們剪斷汽車以太網(wǎng)電纜，插入帶有SMA連接器的定向耦合器。然后我們運(yùn)行測試，測試條件與定向耦合器方法相同，然后調(diào)用信號(hào)分隔方法波形，對(duì)比這兩種測試方法。

泰克信號(hào)分隔方法和定向耦合方法的測試結(jié)果對(duì)比。

比較結(jié)果顯示，這兩種方法的幅度存在著明顯差異，說明了定向耦合器的影響。在采用定向耦合器方法時(shí)，主信號(hào)的幅度約為90 mVpp (峰峰值電壓)，從信號(hào)的幅度約為85 mVpp。相比之下，信號(hào)分隔方法中主信號(hào)的幅度約為1.5 Vpp，從信號(hào)的幅度約為1.45 Vpp。在本例中，定向耦合器增加了20 dB損耗。

為消除定向耦合器引入的斷點(diǎn)，反嵌必不可少，以補(bǔ)償插損和回?fù)p。如前所述，盡管有可能能夠消除定向耦合器的影響，但反嵌可能會(huì)放大系統(tǒng)中的噪聲，影響測量和表征精度。還應(yīng)該指出，反嵌可能會(huì)耗用很長時(shí)間，極具挑戰(zhàn)性。此外，對(duì)汽車的系統(tǒng)級(jí)測試和維護(hù)保養(yǎng)來說，剪斷電纜、安裝定向耦合器可能會(huì)極具挑戰(zhàn)性。

相比之下，信號(hào)分隔方法不用干擾系統(tǒng)就能顯示真實(shí)信號(hào)。通過這種全新的汽車以太網(wǎng)測試方法，用戶可以表征信號(hào)，精度更高，時(shí)間更少，而且不會(huì)增加費(fèi)用和測量挑戰(zhàn)。用戶可以使用這種方法，在系統(tǒng)級(jí)執(zhí)行信號(hào)完整性測試，執(zhí)行應(yīng)用環(huán)境中提供的所有測試。

小結(jié)

本文介紹了汽車以太網(wǎng)、全雙工通信、隔離主信號(hào)與從信號(hào)的需求、信號(hào)分隔測試方法，以及當(dāng)前定向耦合器插入方法與泰克新型信號(hào)隔離方法比較。

通過比較兩種汽車以太網(wǎng)測試方法，可以了解泰克信號(hào)分隔解決方案的優(yōu)勢，如比定向耦合器信號(hào)方法更準(zhǔn)確地查看真實(shí)信號(hào)，簡化了元器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)測試設(shè)置，縮短了測試時(shí)間，滿足了汽車整個(gè)生命周期的測試需要。

如需進(jìn)一步了解怎樣使用PAM3分析工具及泰克測試解決方案分隔信號(hào)，進(jìn)行汽車以太網(wǎng)信號(hào)完整性分析，敬請(qǐng)?jiān)L問：www.tek.com/automotive/automotive-ethernet。

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