Разработчикам электронных блоков управления (ECU) с автомобильным Ethernet-интерфейсом необходимо выполнять проверку работоспособности своих устройств. Однако если проблемы возникают в ходе передачи сигнала, простого анализа Ethernet-протокола, как правило, оказывается недостаточно. Оптимальным решением этой проблемы является новая опция синхронизации и декодирования блоков данных для осциллографов, представленная компанией Rohde & Schwarz. Опция позволяет разработчикам выполнять запуск по передаваемым данным Ethernet-протокола, декодировать содержимое и соотносить временные интервалы с таймингами сигналов электрических шин. Всё это значительно ускоряет анализ проблем в ходе отладки.
Автомобильный Ethernet обретает всё большую популярность в качестве быстрой шинной системы для автомобильных приложений, таких как системы содействия водителю и информационно-развлекательные системы. В этих целях для автомобильной промышленности был разработан 100BASE-T1 Ethernet-интерфейс, работающий на основе технологии BroadR-Reach® и стандартизированный рабочей группой IEEE 802.3bw.
Технология 100BASE-T1 использует Ethernet с полнодуплексной передачей данных по неэкранированной витой паре. Сигналы 100BASE-T1 модулированы по схеме PAM-3 (амплитудно-импульсная модуляция), где уровни дифференциального сигнала находятся в диапазоне от –1 до +1 В. При этом скорость передачи данных (до 100 Мбит/с) значительно выше, чем в традиционных шинных системах, таких как CAN.
Передатчик преобразует частотные характеристики сигналов 100BASE-T1 для обеспечения надёжной передачи с минимальной утечкой на ВЧ через неэкранированный кабель. Стандарт 100BASE-T1 требует наличия эквалайзера в передатчике. После установления соединения интегральные схемы PHY 100BASE-T1 измеряют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) кабеля. Эквалайзеры выполняют предыскажение сигналов для последующей передачи данных в целях обеспечения надёжной передачи сигнала с одновременной минимизацией утечки на ВЧ через кабель. По сравнению со стандартом Ethernet 100BASE-Tx, который не требует использования эквалайзеров, сигналы систем 100BASE-T1 значительно искажены из-за применения функции предыскажения. Как следствие, разработчики не могут оценивать сигнал на основании одного лишь анализа уровней сигналов электрических шин.
На рисунке 1 для сравнения представлены сигналы 100BASE-Tx (а) и 100BASE-T1 (б) в автомобильных сетях. На рисунке 1а чётко видны три уровня сигнала и крутые фронты при переключении уровней. На рисунке 1б три уровня сигнала PAM-3 не всегда чётко различимы из-за выполненных эквалайзером предыскажений.
Испытание автомобильных Ethernet-интерфейсов
Характеристики интерфейсов 100BASE-T1 определены спецификацией IEEE. С помощью стандартизированных испытаний на соответствие разработчики могут измерять электрические характеристики интерфейса с использованием осциллографа и анализатора цепей в лабораторных условиях. Инструменты для анализа Ethernet-протокола, такие как Vector CANoe или Wireshark, обычно используются для проверки электронного блока управления (ECU) на предмет правильности передачи данных. Инструменты такого типа позволяют записывать весь поток Ethernet-данных и предоставляют возможности для проведения комплексного анализа. Однако ошибки передачи проявляются исключительно в виде ошибок в блоках данных, поэтому выполнение углублённого анализа причин их возникновения невозможно. Как правило, для этого необходим осциллограф с опцией синхронизации и декодирования блоков данных.
С помощью новой опции синхронизации и декодирования блоков данных, представленной компанией Rohde & Schwarz для шины 100BASE-T1, разработчики ECU смогут наконец непосредственно соотносить электрические сигналы с содержимым переданных блоков данных в ходе анализа. Например, ошибки шины, которые возникают в автомобильных приложениях Ethernet, теперь могут быть устранены так же просто, как и в случае традиционных шин CAN (для которых также представлены высокопроизводительные опции синхронизации и декодирования блоков данных).
Специальные функции синхронизации и декодирования блоков данных в автомобильных приложениях Ethernet
При обмене данными в рамках стандарта 100BASE-T1 оба потока данных передаются по витой паре одновременно. Если пользователь регистрирует уровень сигнала шины с помощью осциллографа, для обеих шин измеряются наложенные потоки данных. Без разделения этих потоков выполнение требуемого анализа невозможно. В этих целях измерительная Ethernet-плата R&S RT-ZF5 (см. рис. 2) оборудована соответствующими направленными ответвителями. После подключения в линию Ethernet измерительная плата позволяет разделять потоки данных для неинтрузивной записи передаваемых данных стандарта 100BASE-T1 с помощью осциллографа.
На рисунке 3 показано декодирование обоих потоков данных стандарта 100BASE-T1 при полнодуплексной передаче данных. MAC-кадр представлен в цвете, тогда как непрерывно передаваемые пустые кадры отображаются серыми.
Тем не менее, записанные сигналы значительно искажаются эквалайзером, используемым в передатчике 100BASE-T1. Перед последующей обработкой сигналы проходят предварительное выравнивание с применением сложных алгоритмов и затем декодируются. Осциллограф восстанавливает блоки данных в ходе декодирования и отображает все переданные блоки данных и пустые кадры. Декодированные блоки данных отображаются в виде сигналов шины с цветовым кодированием, а также в табличном формате. Это позволяет разработчикам соотносить фактические сигналы 100BASE-T1 с переданными данными протокола для выполнения подробного анализа.
На рисунке 4 представлено декодирование уровней сигнала 100BASE-T1 электрической шины: чётко видны два уровня дифференциального сигнала 100BASE-T1 и содержимое декодированного блока данных.
Благодаря расширенным возможностям синхронизации разработчики могут также, например, отображать отдельные блоки данных с конкретными адресами источника и приёмника.
Анализ ошибок в блоках данных
Временны¢е соотношения между данными, передаваемыми по шине, и другими сигналами могут быть выявлены в ходе декодирования данных 100BASE-T1. Например, в целях отладки пользователи могут определить время начала работы ECU, настроив запуск осциллографа по напряжению питания 12 В и измерив время, прошедшее до получения первого действительного блока данных. Стабильность передачи данных по шине также может быть легко проверена: разработчик настраивает прибор на запуск по кратковременным прерываниям напряжения питания и затем анализирует прерывания, возникающие при обмене данными по шине. Большое количество прерываний сигнализирует о значительном ухудшении стабильности передачи данных.
С помощью осциллографа, оборудованного опцией синхронизации и декодирования блоков данных, можно выполнять измерения на всех семи уровнях сетевой модели OSI, что обеспечивает широкий спектр возможностей для проведения испытаний и анализа (см. рис. 5).
Устранение спорадических ошибок шины, возникающих в результате взаимного влияния источников помех, может оказаться трудной задачей без использования дополнительных возможностей анализа. Декодируя передаваемые данные 100BASE-T1, разработчики могут выполнять анализ обмена данными по шине на всех протокольных уровнях с соответствующей временной корреляцией для определения взаимного влияния источников помех.
Например, в случае измерения, представленного на рисунке 6, MAC-кадр и пустые кадры правильно передаются в начале записи. Однако в середине записи поток данных внезапно прерывается. На нижней диаграмме построен частотный спектр сигнала помехи (серая область). На частоте 2 МГц чётко виден пик сигнала. Очевидно, что этот сигнал помехи вызвал прерывание на шине. Использование функций декодирования в сочетании с другими инструментами анализа, представленными в осциллографе (например, частотный анализ), значительно упрощает выполнение такой отладки. Например, осциллограф позволяет моментально обнаруживать помехи, которые было бы непросто выявить с помощью других методов.
Заключение
Компания Rohde & Schwarz предлагает разработчикам электронных блоков управления (ECU) с автомобильными Ethernet-интерфейсами полнофункциональную опцию синхронизации и декодирования блоков данных 100BASE-T1, включающую измерительную плату для неинтрузивного доступа к сигналу. Разработчики могут использовать комплексные функции синхронизации и отображения для переданных блоков данных на этапе наладочных работ. Отображаемая декодированная информация коррелируется по времени с электрическим сигналом, что позволяет пользователям выполнять анализ данных протокола в ходе отладки и оперативно выявлять причины возникновения любых ошибок шины.
Помимо рассмотренной в статье опции синхронизации и декодирования блоков данных 100BASE-T1, компания Rohde & Schwarz предлагает готовые решения (см. рис. 7) для проведения испытаний на соответствие автомобильных Ethernet-интерфейсов требованиям стандартов 100BASE-T1 и 1000BASE-T1, а также испытаний кабельных сегментов с использованием осциллографа и анализатора цепей.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
