車載以太網(wǎng)控制器物理層測試

符丹丹， 田 彬， 程惠敏

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

近幾年因港口、碼頭、礦區(qū)等對商用車自動駕駛技術(shù)的需求，商用車也面臨傳統(tǒng)總線數(shù)據(jù)超負荷的問題，車載以太網(wǎng)技術(shù)因其速率高、實時性強、成本低、帶寬覆蓋廣等特點，成為行業(yè)內(nèi)公認的下一代汽車骨干網(wǎng)絡(luò)。汽車的高品質(zhì)，高可靠性以及高安全性需要通過對所有的零配件進行完備的測試來加以保證，車載以太網(wǎng)作為一種新的汽車網(wǎng)絡(luò)接口，同CAN總線一樣，具有以太網(wǎng)接口的控制器必須經(jīng)過總線接口的一致性測試，才能應(yīng)用于系統(tǒng)集成。

1 車載以太網(wǎng)測試概述

車載以太網(wǎng)控制器測試同傳統(tǒng)的CAN、LIN總線控制器測試一樣，以測試對象劃分為部件測試、系統(tǒng)測試及實車測試。部件級測試具體的測試內(nèi)容分為物理層測試、協(xié)議一致性測試、性能測試、應(yīng)用層測試等［1］。

物理層的作用是將邏輯信號通過物理的PHY或收發(fā)器發(fā)送到物理總線上，進行數(shù)據(jù)交互，該物理總線將數(shù)據(jù)由數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，該層為1層物理層［2］，2層MAC層主要是為交換機進行數(shù)據(jù)發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)，1層和2層測試統(tǒng)稱為物理層測試。物理層測試包括物理介質(zhì)連接測試 （PMA）和互操作性測試 （IOP）。

協(xié)議一致性測試是指上層協(xié)議的代碼是否與標準規(guī)則一致的測試。上層協(xié)議是指OSI模型中MAC層和應(yīng)用層之間的所有層的一致性測試，這些層按照固定的協(xié)議規(guī)則，將有效載荷進行封裝，并逐層添加參數(shù)，從而完成復(fù)雜的通信的數(shù)據(jù)代碼。性能測試主要是指對交換機的性能測試。

應(yīng)用層測試主要是指網(wǎng)絡(luò)管理測試、診斷測試和網(wǎng)關(guān)路由測試，一般由主機廠根據(jù)整車實際的設(shè)計定義測試用例。

1.1 車載以太網(wǎng)PMA測試

PMA的測試屬于物理層測試，目前整車應(yīng)用的以太網(wǎng)包括100/1000Base-T1，用于車內(nèi)通信，100Base-Tx用于診斷和刷寫。

物理層測試主要包括8項測試內(nèi)容：發(fā)送端輸出衰減、MASTER模式下的發(fā)送端時序抖動、發(fā)送時鐘頻率、發(fā)送端功率譜密度 （PSD）、MDI回波損耗、MDI模式轉(zhuǎn)換、MDI共模發(fā)射、發(fā)送端失真［2］，需要使用測試工具示波器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。PMA測試要求被測件 （DUT）可以通過設(shè)置PHY的3位測試模式寄存器，因為以太網(wǎng)物理層使用的是全雙工的傳輸模式，因此，在鏈路中的波形是兩個節(jié)點發(fā)送的波形疊加在一起的，所以無法通過示波器抓取波形，通過將PMA寄存器更改為不同的測試模式，可使PHY發(fā)出不同的波形，以便示波器執(zhí)行測試。推薦使用串口或是基于CAN協(xié)議的診斷報文對寄存器進行更改，測試模式和寄存器數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系如表1所示，不同的測試項目要求使用不同的測試模式。

表1 測試模式

物理層測試前，需要將工控機、示波器、矢網(wǎng)的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段，示波器已經(jīng)將PMA測試的測試用例集成在程序里，打開示波器的上位機軟件，新建測試工程，設(shè)置完IP地址后，打開測試用例界面，選擇要測試的內(nèi)容，按照各測試項要求的測試模式和連接方式進行設(shè)置和連接，即可開展測試。

發(fā)送端輸出衰減測試，需將寄存器設(shè)置為測試模式1，PHY設(shè)置為測試模式1，PHY （物理接口收發(fā)器）周期性輸出N個“+1”符號，加N個“-1”符號。N最小值為34，因此單極性符號時長大于500ns （34個符號周期，每個符號15ns），測試結(jié)果要求：正/負峰值后500ns處的幅值相對峰值Vpk的衰落Vd占峰值的比例應(yīng)小于45%，測試用例執(zhí)行完會自動顯示測試通過還是失敗。

MASTER模式下的發(fā)送端時序抖動和檢查發(fā)送時鐘頻率測試，要求將PHY設(shè)置為Master模式、測試模式2，PHY重復(fù)發(fā)送“+1，-1”數(shù)據(jù)符號，按照示波器要求的連接方式連接，發(fā)送端時序抖動測試要去MDI輸出的TIE抖動RMS值需小于50ps，檢查發(fā)送端時鐘頻率應(yīng)滿足66.666MHz±100ppm。測試模式2下的波形輸出如圖1所示。

圖1 測試模式2波形

發(fā)送端功率譜密度 （PSD）要求PHY設(shè)置為測試模式5，PHY被強制為MASTER模式。在該模式中，發(fā)送映像到3個離散差分信號電平的三進制碼 （+1，0，-1）的偽隨機序列。PSD在1～200MHz帶寬內(nèi)應(yīng)滿足圖2所示。如果使用DSO執(zhí)行測試，示波器的平均功能應(yīng)至少設(shè)置為50次。 PSD測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 PSD測試結(jié)果

檢查發(fā)送器失真，要求將PHY設(shè)置為測試模式4，PHY將發(fā)送特定擾碼發(fā)生器產(chǎn)生的符號序列，該測試需要使用干擾源，需要連接TX_TCLK進行時鐘同步，測試結(jié)果要求該偽代碼從捕獲的模式4對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)中移除干擾正弦信號，并計算每個符號周期內(nèi)至少10個等分相位處 （視采樣率而定）采得的峰值失真，需小于15mV。檢查發(fā)送器失真如圖3所示。

圖3 檢查發(fā)送器失真

檢查MDI回波損耗和檢查MDI模式轉(zhuǎn)換，需要連接矢網(wǎng)，并將PHY設(shè)置為SLAVE模式，測試在MDI接口處因阻抗不連續(xù)造成的信號反射。矢網(wǎng)在每次上電開機都需要使用校準件進行校準，點擊Channel的CAL按鈕進入矢網(wǎng)校準界面，按照界面提示，一步步進行操作。

檢查MDI共摸發(fā)射測試需要將PHY設(shè)置為測試模式6，本項測試是用來驗證待測件正常工作時PMA輸出至周圍電子環(huán)境的輻射量是否超標，如果MDI共模發(fā)射的值滿足圖4所示定義的限制，則測試應(yīng)分類為已通過。

圖4 規(guī)范要求

1.2 車載以太網(wǎng)互操作性測試

互操作性測試包括3項測試內(nèi)容：鏈接時間測試、信號品質(zhì)測試以及電纜診斷測試。

鏈接時間是指被測件和對端設(shè)備之間建立鏈接的時間，該測試是為了確?？刂破髟谠O(shè)計時間內(nèi)建立鏈接，而不會出現(xiàn)較大的時間變化。需要使用到特定的測試設(shè)備作為Link Partner，需要對對端設(shè)備上電時間、被測件上電時間以及被測件喚醒時間測試。鏈接時間測試要求必須使用相反的主/從配置將DUT連接到鏈路伙伴，通信信道的極性必須正確。

鏈接時間測試又分為觸發(fā)-開啟鏈路伙伴、觸發(fā)-開啟DUT和觸發(fā)-喚醒DUT三項測試。

觸發(fā)-開啟鏈路伙伴測試是指測試與被測件DUT建立連接的系統(tǒng) （這里稱為Link Partner）的鏈接時間是否滿足要求。當(dāng)Link Partner啟動后，記錄開始時間tstart，然后讀取Link Partner狀態(tài)寄存器，如果link_control=active link時，記錄此時的時間為tstop，計算通電和鏈接之間的時間tup=tstop-tstart，關(guān)閉Link Partner，重復(fù)此過程100次，計算σt、tmin和tmax。計算公式如下所示：

測試結(jié)果應(yīng)滿足σt≤50ms，為鏈路所有節(jié)點的平均啟動時間。

觸發(fā)-開啟DUT測試是指測試被測件DUT和Link Partner的鏈接時間是否滿足設(shè)計要求。被測件DUT啟動電源，記錄時間tstart，然后查詢Link Parter的寄存器狀態(tài)，如果link_control=active link時，記錄下此時的時間tstop，關(guān)閉DUT電源，重復(fù)此過程100次，按照公式（2）、（3）、（4）計算σt、tmin和tmax。測試結(jié)果應(yīng)滿足σt≤50ms，是由制造商提供的DUT平均啟動時間。

觸發(fā)-喚醒DUT測試是針對具有休眠喚醒功能的系統(tǒng)進行的測試，不具備該功能的系統(tǒng)不需要執(zhí)行此項測試。該測試是指被測件DUT處于休眠狀態(tài)時，觸發(fā)喚醒源喚醒DUT，測試觸發(fā)喚醒到建立鏈接的時間。首先發(fā)送喚醒信號喚醒DUT，記錄此時的時間tstart，查詢Link Parter寄存器狀態(tài)，當(dāng)link_control=active link時，記錄此時的時間tstop，DUT進入休眠狀態(tài)，重復(fù)此過程100次。然后按照 （2）（3）（4）計算公式計算σt、tmin和tmax。測試結(jié)果應(yīng)滿足σt≤50ms，tmin＞10ms+為制造商提供DUT的平均喚醒時間。

鏈接時間測試測試需要使用CAPL或其他測試系統(tǒng)自帶的編程工具編寫測試腳本，需要區(qū)分不同DUT的喚醒條件，自動執(zhí)行測試過程。

信號品質(zhì)測試是指對被測件的通信信道注入人工噪聲，被測件 （DUT）的信號品質(zhì)指示 （SQI）應(yīng)隨著DUT的信道品質(zhì)的降低而降低，隨著DUT的信道品質(zhì)的增加而增加，并且DUT上的SQI與相應(yīng)的人工噪聲注入時間應(yīng)保持一致。測試結(jié)果要求SQI值穩(wěn)定且單調(diào)地隨每一步的品質(zhì)增加而增加且SQI值僅在存在連接條件時有效。

電纜診斷測試是指以太網(wǎng)雙絞線故障時的診斷測試，包括電纜近端和遠端的開路測試、近端和遠端的短路測試。該項測試應(yīng)確保DUT能夠可靠地檢測到總線短路或是開路，并且可以判斷近端或遠端，并將故障通過診斷的方式播報。

2 結(jié)束語

物理層作為OSI模型中的第1層，具有物理連接和編碼解碼等作用，物理層的可靠性直接影響到數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層的可靠性，物理層測試必不可少。