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(duì)商用車自動(dòng)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(fù)荷的問(wèn)題，車載以太網(wǎng)技術(shù)因其速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低、帶寬覆蓋廣等特點(diǎn)，成為行業(yè)內(nèi)公認(rèn)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(guò)對(duì)所有的零配件進(jìn)行完備的測(cè)試來(lái)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(guò)總線接口的一致性測(cè)試，才能應(yīng)用于系統(tǒng)集成。

1 車載以太網(wǎng)測(cè)試概述

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

物理層的作用是將邏輯信號(hào)通過(guò)物理的PHY或收發(fā)器發(fā)送到物理總線上，進(jìn)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)，1層和2層測(cè)試統(tǒng)稱為物理層測(cè)試。物理層測(cè)試包括物理介質(zhì)連接測(cè)試 （PMA）和互操作性測(cè)試 （IOP）。

協(xié)議一致性測(cè)試是指上層協(xié)議的代碼是否與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則一致的測(cè)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(cè)試，這些層按照固定的協(xié)議規(guī)則，將有效載荷進(jìn)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(cè)試主要是指對(duì)交換機(jī)的性能測(cè)試。

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

1.1 車載以太網(wǎng)PMA測(cè)試

PMA的測(cè)試屬于物理層測(cè)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(cè)試主要包括8項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容：發(fā)送端輸出衰減、MASTER模式下的發(fā)送端時(shí)序抖動(dòng)、發(fā)送時(shí)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(cè)試工具示波器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。PMA測(cè)試要求被測(cè)件 （DUT）可以通過(guò)設(shè)置PHY的3位測(cè)試模式寄存器，因?yàn)橐蕴W(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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的波形疊加在一起的，所以無(wú)法通過(guò)示波器抓取波形，通過(guò)將PMA寄存器更改為不同的測(cè)試模式，可使PHY發(fā)出不同的波形，以便示波器執(zhí)行測(cè)試。推薦使用串口或是基于CAN協(xié)議的診斷報(bào)文對(duì)寄存器進(jìn)行更改，測(cè)試模式和寄存器數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，不同的測(cè)試項(xiàng)目要求使用不同的測(cè)試模式。

表1 測(cè)試模式

物理層測(cè)試前，需要將工控機(jī)、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(cè)試的測(cè)試用例集成在程序里，打開(kāi)示波器的上位機(jī)軟件，新建測(cè)試工程，設(shè)置完IP地址后，打開(kāi)測(cè)試用例界面，選擇要測(cè)試的內(nèi)容，按照各測(cè)試項(xiàng)要求的測(cè)試模式和連接方式進(jìn)行設(shè)置和連接，即可開(kāi)展測(cè)試。

發(fā)送端輸出衰減測(cè)試，需將寄存器設(shè)置為測(cè)試模式1，PHY設(shè)置為測(cè)試模式1，PHY （物理接口收發(fā)器）周期性輸出N個(gè)“+1”符號(hào)，加N個(gè)“-1”符號(hào)。N最小值為34，因此單極性符號(hào)時(shí)長(zhǎng)大于500ns （34個(gè)符號(hào)周期，每個(gè)符號(hào)15ns），測(cè)試結(jié)果要求：正/負(fù)峰值后500ns處的幅值相對(duì)峰值Vpk的衰落Vd占峰值的比例應(yīng)小于45%，測(cè)試用例執(zhí)行完會(huì)自動(dòng)顯示測(cè)試通過(guò)還是失敗。

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

圖1 測(cè)試模式2波形

發(fā)送端功率譜密度 （PSD）要求PHY設(shè)置為測(cè)試模式5，PHY被強(qiáng)制為MASTER模式。在該模式中，發(fā)送映像到3個(gè)離散差分信號(hào)電平的三進(jìn)制碼 （+1，0，-1）的偽隨機(jī)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(cè)試，示波器的平均功能應(yīng)至少設(shè)置為50次。 PSD測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 PSD測(cè)試結(jié)果

檢查發(fā)送器失真，要求將PHY設(shè)置為測(cè)試模式4，PHY將發(fā)送特定擾碼發(fā)生器產(chǎn)生的符號(hào)序列，該測(cè)試需要使用干擾源，需要連接TX_TCLK進(jìn)行時(shí)鐘同步，測(cè)試結(jié)果要求該偽代碼從捕獲的模式4對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)中移除干擾正弦信號(hào)，并計(jì)算每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)至少10個(gè)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(cè)試在MDI接口處因阻抗不連續(xù)造成的信號(hào)反射。矢網(wǎng)在每次上電開(kāi)機(jī)都需要使用校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，點(diǎn)擊Channel的CAL按鈕進(jìn)入矢網(wǎng)校準(zhǔn)界面，按照界面提示，一步步進(jìn)行操作。

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

圖4 規(guī)范要求

1.2 車載以太網(wǎng)互操作性測(cè)試

互操作性測(cè)試包括3項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容：鏈接時(shí)間測(cè)試、信號(hào)品質(zhì)測(cè)試以及電纜診斷測(cè)試。

鏈接時(shí)間是指被測(cè)件和對(duì)端設(shè)備之間建立鏈接的時(shí)間，該測(cè)試是為了確?？刂破髟谠O(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)建立鏈接，而不會(huì)出現(xiàn)較大的時(shí)間變化。需要使用到特定的測(cè)試設(shè)備作為L(zhǎng)ink Partner，需要對(duì)對(duì)端設(shè)備上電時(shí)間、被測(cè)件上電時(shí)間以及被測(cè)件喚醒時(shí)間測(cè)試。鏈接時(shí)間測(cè)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(shí)間測(cè)試又分為觸發(fā)-開(kāi)啟鏈路伙伴、觸發(fā)-開(kāi)啟DUT和觸發(fā)-喚醒DUT三項(xiàng)測(cè)試。

觸發(fā)-開(kāi)啟鏈路伙伴測(cè)試是指測(cè)試與被測(cè)件DUT建立連接的系統(tǒng) （這里稱為L(zhǎng)ink Partner）的鏈接時(shí)間是否滿足要求。當(dāng)Link Partner啟動(dòng)后，記錄開(kāi)始時(shí)間tstart，然后讀取Link Partner狀態(tài)寄存器，如果link_control=active link時(shí)，記錄此時(shí)的時(shí)間為tstop，計(jì)算通電和鏈接之間的時(shí)間tup=tstop-tstart，關(guān)閉Link Partner，重復(fù)此過(guò)程100次，計(jì)算σt、tmin和tmax。計(jì)算公式如下所示：

測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足σt≤50ms，為鏈路所有節(jié)點(diǎn)的平均啟動(dòng)時(shí)間。

觸發(fā)-開(kāi)啟DUT測(cè)試是指測(cè)試被測(cè)件DUT和Link Partner的鏈接時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求。被測(cè)件DUT啟動(dòng)電源，記錄時(shí)間tstart，然后查詢Link Parter的寄存器狀態(tài)，如果link_control=active link時(shí)，記錄下此時(shí)的時(shí)間tstop，關(guān)閉DUT電源，重復(fù)此過(guò)程100次，按照公式（2）、（3）、（4）計(jì)算σt、tmin和tmax。測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足σt≤50ms，是由制造商提供的DUT平均啟動(dòng)時(shí)間。

觸發(fā)-喚醒DUT測(cè)試是針對(duì)具有休眠喚醒功能的系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試，不具備該功能的系統(tǒng)不需要執(zhí)行此項(xiàng)測(cè)試。該測(cè)試是指被測(cè)件DUT處于休眠狀態(tài)時(shí)，觸發(fā)喚醒源喚醒DUT，測(cè)試觸發(fā)喚醒到建立鏈接的時(shí)間。首先發(fā)送喚醒信號(hào)喚醒DUT，記錄此時(shí)的時(shí)間tstart，查詢Link Parter寄存器狀態(tài)，當(dāng)link_control=active link時(shí)，記錄此時(shí)的時(shí)間tstop，DUT進(jìn)入休眠狀態(tài)，重復(fù)此過(guò)程100次。然后按照 （2）（3）（4）計(jì)算公式計(jì)算σt、tmin和tmax。測(cè)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(shí)間。

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

信號(hào)品質(zhì)測(cè)試是指對(duì)被測(cè)件的通信信道注入人工噪聲，被測(cè)件 （DUT）的信號(hào)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(shí)間應(yīng)保持一致。測(cè)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(shí)有效。

電纜診斷測(cè)試是指以太網(wǎng)雙絞線故障時(shí)的診斷測(cè)試，包括電纜近端和遠(yuǎn)端的開(kāi)路測(cè)試、近端和遠(yuǎn)端的短路測(cè)試。該項(xiàng)測(cè)試應(yīng)確保DUT能夠可靠地檢測(cè)到總線短路或是開(kāi)路，并且可以判斷近端或遠(yuǎn)端，并將故障通過(guò)診斷的方式播報(bào)。

2 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)試必不可少。