車載以太網控制器物理層測試

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、礦區等對商用車自動駕駛技術的需求，商用車也面臨傳統總線數據超負荷的問題，車載以太網技術因其速率高、實時性強、成本低、帶寬覆蓋廣等特點，成為行業內公認的下一代汽車骨干網絡。汽車的高品質，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，車載以太網作為一種新的汽車網絡接口，同CAN總線一樣，具有以太網接口的控制器必須經過總線接口的一致性測試，才能應用于系統集成。

1 車載以太網測試概述

車載以太網控制器測試同傳統的CAN、LIN總線控制器測試一樣，以測試對象劃分為部件測試、系統測試及實車測試。部件級測試具體的測試內容分為物理層測試、協議一致性測試、性能測試、應用層測試等［1］。

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

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

應用層測試主要是指網絡管理測試、診斷測試和網關路由測試，一般由主機廠根據整車實際的設計定義測試用例。

1.1 車載以太網PMA測試

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

物理層測試主要包括8項測試內容：發送端輸出衰減、MASTER模式下的發送端時序抖動、發送時鐘頻率、發送端功率譜密度 （PSD）、MDI回波損耗、MDI模式轉換、MDI共模發射、發送端失真［2］，需要使用測試工具示波器和矢量網絡分析儀。PMA測試要求被測件 （DUT）可以通過設置PHY的3位測試模式寄存器，因為以太網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點發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發出不同的波形，以便示波器執行測試。推薦使用串口或是基于CAN協議的診斷報文對寄存器進行更改，測試模式和寄存器數值的對應關系如表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、矢網的IP地址設置在同一網段，示波器已經將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，設置完IP地址后，打開測試用例界面，選擇要測試的內容，按照各測試項要求的測試模式和連接方式進行設置和連接，即可開展測試。

發送端輸出衰減測試，需將寄存器設置為測試模式1，PHY設置為測試模式1，PHY （物理接口收發器）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占峰值的比例應小于45%，測試用例執行完會自動顯示測試通過還是失敗。

MASTER模式下的發送端時序抖動和檢查發送時鐘頻率測試，要求將PHY設置為Master模式、測試模式2，PHY重復發送“+1，-1”數據符號，按照示波器要求的連接方式連接，發送端時序抖動測試要去MDI輸出的TIE抖動RMS值需小于50ps，檢查發送端時鐘頻率應滿足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

發送端功率譜密度 （PSD）要求PHY設置為測試模式5，PHY被強制為MASTER模式。在該模式中，發送映像到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帶寬內應滿足圖2所示。如果使用DSO執行測試，示波器的平均功能應至少設置為50次。 PSD測試結果如圖2所示。

圖2 PSD測試結果

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

圖3 檢查發送器失真

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

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

圖4 規范要求

1.2 車載以太網互操作性測試

互操作性測試包括3項測試內容：鏈接時間測試、信號品質測試以及電纜診斷測試。

鏈接時間是指被測件和對端設備之間建立鏈接的時間，該測試是為了確保控制器在設計時間內建立鏈接，而不會出現較大的時間變化。需要使用到特定的測試設備作為Link Partner，需要對對端設備上電時間、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-開啟鏈路伙伴、觸發-開啟DUT和觸發-喚醒DUT三項測試。

觸發-開啟鏈路伙伴測試是指測試與被測件DUT建立連接的系統 （這里稱為Link Partner）的鏈接時間是否滿足要求。當Link Partner啟動后，記錄開始時間tstart，然后讀取Link Partner狀態寄存器，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，關閉Link Partner，重復此過程100次，計算σt、tmin和tmax。計算公式如下所示：

測試結果應滿足σt≤50ms，為鏈路所有節點的平均啟動時間。

觸發-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，如果link_control=active link時，記錄下此時的時間tstop，關閉DUT電源，重復此過程100次，按照公式（2）、（3）、（4）計算σt、tmin和tmax。測試結果應滿足σt≤50ms，是由制造商提供的DUT平均啟動時間。

觸發-喚醒DUT測試是針對具有休眠喚醒功能的系統進行的測試，不具備該功能的系統不需要執行此項測試。該測試是指被測件DUT處于休眠狀態時，觸發喚醒源喚醒DUT，測試觸發喚醒到建立鏈接的時間。首先發送喚醒信號喚醒DUT，記錄此時的時間tstart，查詢Link Parter寄存器狀態，當link_control=active link時，記錄此時的時間tstop，DUT進入休眠狀態，重復此過程100次。然后按照 （2）（3）（4）計算公式計算σt、tmin和tmax。測試結果應滿足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或其他測試系統自帶的編程工具編寫測試腳本，需要區分不同DUT的喚醒條件，自動執行測試過程。

信號品質測試是指對被測件的通信信道注入人工噪聲，被測件 （DUT）的信號品質指示 （SQI）應隨著DUT的信道品質的降低而降低，隨著DUT的信道品質的增加而增加，并且DUT上的SQI與相應的人工噪聲注入時間應保持一致。測試結果要求SQI值穩定且單調地隨每一步的品質增加而增加且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據鏈路層、傳輸層、網絡層以及應用層的可靠性，物理層測試必不可少。