车载以太网的故障排除

为使驾驶辅助系统可靠地运行，传感器数据必须不受影响地到达控制单元。传感器和控制单元间的通信细节由新的车载以太网标准进行规定。然而，如果信号传输存在问题，光靠以太网协议本身的分析通常是不够的。在这种情况下，R&S®RTO 和 R&S®RTE 示波器全新的触发和解码解决方案就有了用武之地。

可靠的以太网通信对驾驶辅助系统至关重要

车载以太网正越来越多地被用作车载驾驶辅助、信息娱乐等系统的快速总线。因此，汽车行业在 Broad-Reach 技术的基础上发展出了 100BASE-T1 以太网接口，它由 IEEE 工作组 802.3bw 进行标准化。100BASE-T1 通过非屏蔽双绞线（双绞线以太网）实现全双工以太网连接。100BASE-T1 信号采用 PAM-3 调制，差分信号电平在 -1 V 和 +1 V 之间。数据速率达 100 Mbit/s，远高于 CAN 总线等传统的汽车总线。这种方式有助于驾驶辅助系统的开发，即使是类似摄像头信号和雷达信号这样的大量数据也可以在足够短的延迟下可靠地传输。

为确保非屏蔽线缆上传输的可靠性，并且使射频泄漏降到最低，发射机会采用均衡器来改变信号的频率响应。100BASE-T1 PHY 芯片能够在建立连接时测量线缆的频率响应，并确定合适的信号预失真。相较于未配备均衡器的标准 100BASE-TX 以太网，100BASE-T1 系统中的信号高度失真，因此无法直接从信号电平分析中读取信号质量，如眼图所示（图 2）。

图2

测试车载以太网接口

汽车工业协会 Open Alliance 已经定义了以太网接口测试的详细规范。在物理层的一致性测试（Open Alliance 车载以太网 ECU 测试规范中的 PMA 测试）中，会使用示波器和网络分析仪在实验室中测量接口的电气特性。一致性测试仅检查发射机的电气特性（使用测试信号）。对接收机不会进行任何测试。测试方式也仅仅是通过读取 PHY 芯片的信号质量参数，间接测量两个控制单元间的通信质量。

Vector CANoe 或 Wireshark 等工具通常用于验证控制单元应用的通信是否正确。这些软件工具会通过特殊的接口模块获取所有以太网数据流量，从而对协议内容进行广泛的分析，但这些工具只能将传输错误表示为数据包错误。例如，如果数据包错误是由耦合形成的干扰而引发，此时就无法使用这些软件工具进行更详细的分析。在这种情况下，通常会使用具备触发和解码功能的示波器。

R&S®RTO（图 1）和 R&S®RTE 示波器上全新的 100BASE-T1 总线触发和解码解决方案首次实现了电气总线信号相关数据包内容的分析。故障排除的简易程度几乎与传统 CAN 总线相当。

图1

去耦信号采集

如果双绞线上的信号采用示波器探头直接采集，就会获得两个方向传输的叠加信号。如果不分离这两个信号，就无法进行协议分析。R&S®RT-ZF5 以太网探测夹具（图 3）采用定向耦合器分离信号，实现了通过示波器（图 4）去耦采集 100BASE-T1 通信信号。信号的最大附加衰减为 1 dB，不会影响数据传输。

图3

图4

由于 100BASE-T1 发射机的均衡器会使采集到的信号产生严重失真，因此在示波器解码之前，会使用复杂的算法对信号进行均衡。R&S®RTO 将解码后的数据包和空闲帧显示为彩色编码的总线信号，并显示在表中（图 6）。100BASE-T1 电信号电平与传输协议内容在时间上的相关性实现了对总线通信和数据包错误的详细分析。用户还可以针对数据包错误或具有特定传输目标地址的数据包进行触发。

图6

分析数据包错误

100BASE-T1 解码功能可用于显示总线通信相对于其他信号的定时特性。例如，控制单元的启动时间可以通过让示波器触发 12 V 电源电压来确定。启动时间指从通电到出现第一个有效数据包之间的时长。

如果无法同时分析总线通信和 100BASE-T1 电信号电平，就很难发现由耦合干扰信号引起的间歇性总线错误。解码功能可对总线通信在全部七个 OSI 通信层上进行时间相关分析，有助于辨别耦合干扰信号源（图 5）。

图5

例如，在图 7 的测量中，MAC 帧和空闲帧在采集的开始时段均正确发送，但在采集的中段，数据流突然中止。底部窗口显示了故障时间段中的频谱（右上角的灰色阴影区域），可以清晰地看到 2 MHz 处存在一个峰值。很明显这个干扰信号就是造成总线问题的原因。将解码功能与示波器其他分析工具（如频率分析）相结合，排除此类故障问题变得轻而易举。通过示波器就可以一目了然地辨认出原本难以追踪的问题。

图7

总结

罗德与施瓦茨为开发车载以太网接口控制单元提供了一套完整的 100BASE-T1 触发和解码解决方案，其中还包括以太网探测夹具，专用于去耦信号采集。该产品可以分析全部七个 OSI 通信层的总线通信。丰富的传输数据包触发和显示功能有助于分析协议内容并辨别出总线错误的原因。

100BASE-T1 和 1000BASE-T1 车载以太网一致性测试和链路测试具有专门的选件。

Ernst Flemming 博士

示波器配置要求

示波器：R&S®RTO2004 
（4 通道，≥ 600 MHz 带宽）
或 R&S®RTE1054 
（4 通道，≥ 500 MHz 带宽）

R&S®RTO-K57 或 R&S®RTE-K57 选件，支持 100BASE-T1

R&S®RT-ZF5 以太网探测夹具，用于信道分离

其他推荐选件：

R&S®RTE-TDBNDL 串行触发和解码包选件

R&S®RTO-K24 100BASE-T1 一致性测试选件

R&S®RTO-K87 1000BASE-T1 一致性测试选件

R&S®ZND 矢量网络分析仪

图 1：R&S®RTO 示波器为 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 车载以太网的一致性测试和链路测试提供了完整的测量解决方案。

图 2：左侧是差分 100BASE-TX 信号。三个电平和陡峭的过渡边缘清晰可见。右侧是车载 100BASE-T1 信号，可供对比。由于均衡器中的预失真，PAM-3 信号的电平有时无法清晰辨认。

图 3：R&S®RT-ZF5 以太网探测夹具中的定向耦合器实现了全双工 100BASE-T1 通信中两个数据流的去耦采集。

图 4：全双工通信中对 100BASE-T1 的两个数据流进行解码。MAC 帧以橙色高亮显示，连续发射的空闲帧以灰色阴影显示。

图 5：配备了触发和解码选件的示波器能够分析以太网通信的全部七个 OSI 层。

图 6：解码 100BASE-T1 电信号电平。100BASE-T1 差分信号的两个电平和解码数据包内容清晰可见。

图 7：将协议分析和频谱分析相结合，查找总线通信的间歇性中断原因。