车载以太网控制器物理层测试

符丹丹， 田 彬， 程惠敏

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院， 陕西 西安 710200）

近几年因港口、码头、矿区等对商用车自动驾驶技术的需求，商用车也面临传统总线数据超负荷的问题，车载以太网技术因其速率高、实时性强、成本低、带宽覆盖广等特点，成为行业内公认的下一代汽车骨干网络。汽车的高品质，高可靠性以及高安全性需要通过对所有的零配件进行完备的测试来加以保证，车载以太网作为一种新的汽车网络接口，同CAN总线一样，具有以太网接口的控制器必须经过总线接口的一致性测试，才能应用于系统集成。

1 车载以太网测试概述

车载以太网控制器测试同传统的CAN、LIN总线控制器测试一样，以测试对象划分为部件测试、系统测试及实车测试。部件级测试具体的测试内容分为物理层测试、协议一致性测试、性能测试、应用层测试等［1］。

物理层的作用是将逻辑信号通过物理的PHY或收发器发送到物理总线上，进行数据交互，该物理总线将数据由数字量转化为模拟量，该层为1层物理层［2］，2层MAC层主要是为交换机进行数据发送与转发，1层和2层测试统称为物理层测试。物理层测试包括物理介质连接测试 （PMA）和互操作性测试 （IOP）。

协议一致性测试是指上层协议的代码是否与标准规则一致的测试。上层协议是指OSI模型中MAC层和应用层之间的所有层的一致性测试，这些层按照固定的协议规则，将有效载荷进行封装，并逐层添加参数，从而完成复杂的通信的数据代码。性能测试主要是指对交换机的性能测试。

应用层测试主要是指网络管理测试、诊断测试和网关路由测试，一般由主机厂根据整车实际的设计定义测试用例。

1.1 车载以太网PMA测试

PMA的测试属于物理层测试，目前整车应用的以太网包括100/1000Base-T1，用于车内通信，100Base-Tx用于诊断和刷写。

物理层测试主要包括8项测试内容：发送端输出衰减、MASTER模式下的发送端时序抖动、发送时钟频率、发送端功率谱密度 （PSD）、MDI回波损耗、MDI模式转换、MDI共模发射、发送端失真［2］，需要使用测试工具示波器和矢量网络分析仪。PMA测试要求被测件 （DUT）可以通过设置PHY的3位测试模式寄存器，因为以太网物理层使用的是全双工的传输模式，因此，在链路中的波形是两个节点发送的波形叠加在一起的，所以无法通过示波器抓取波形，通过将PMA寄存器更改为不同的测试模式，可使PHY发出不同的波形，以便示波器执行测试。推荐使用串口或是基于CAN协议的诊断报文对寄存器进行更改，测试模式和寄存器数值的对应关系如表1所示，不同的测试项目要求使用不同的测试模式。

表1 测试模式

物理层测试前，需要将工控机、示波器、矢网的IP地址设置在同一网段，示波器已经将PMA测试的测试用例集成在程序里，打开示波器的上位机软件，新建测试工程，设置完IP地址后，打开测试用例界面，选择要测试的内容，按照各测试项要求的测试模式和连接方式进行设置和连接，即可开展测试。

发送端输出衰减测试，需将寄存器设置为测试模式1，PHY设置为测试模式1，PHY （物理接口收发器）周期性输出N个“+1”符号，加N个“-1”符号。N最小值为34，因此单极性符号时长大于500ns （34个符号周期，每个符号15ns），测试结果要求：正/负峰值后500ns处的幅值相对峰值Vpk的衰落Vd占峰值的比例应小于45%，测试用例执行完会自动显示测试通过还是失败。

MASTER模式下的发送端时序抖动和检查发送时钟频率测试，要求将PHY设置为Master模式、测试模式2，PHY重复发送“+1，-1”数据符号，按照示波器要求的连接方式连接，发送端时序抖动测试要去MDI输出的TIE抖动RMS值需小于50ps，检查发送端时钟频率应满足66.666MHz±100ppm。测试模式2下的波形输出如图1所示。

图1 测试模式2波形

发送端功率谱密度 （PSD）要求PHY设置为测试模式5，PHY被强制为MASTER模式。在该模式中，发送映像到3个离散差分信号电平的三进制码 （+1，0，-1）的伪随机序列。PSD在1～200MHz带宽内应满足图2所示。如果使用DSO执行测试，示波器的平均功能应至少设置为50次。 PSD测试结果如图2所示。

图2 PSD测试结果

检查发送器失真，要求将PHY设置为测试模式4，PHY将发送特定扰码发生器产生的符号序列，该测试需要使用干扰源，需要连接TX_TCLK进行时钟同步，测试结果要求该伪代码从捕获的模式4对应的测量数据中移除干扰正弦信号，并计算每个符号周期内至少10个等分相位处 （视采样率而定）采得的峰值失真，需小于15mV。检查发送器失真如图3所示。

图3 检查发送器失真

检查MDI回波损耗和检查MDI模式转换，需要连接矢网，并将PHY设置为SLAVE模式，测试在MDI接口处因阻抗不连续造成的信号反射。矢网在每次上电开机都需要使用校准件进行校准，点击Channel的CAL按钮进入矢网校准界面，按照界面提示，一步步进行操作。

检查MDI共摸发射测试需要将PHY设置为测试模式6，本项测试是用来验证待测件正常工作时PMA输出至周围电子环境的辐射量是否超标，如果MDI共模发射的值满足图4所示定义的限制，则测试应分类为已通过。

图4 规范要求

1.2 车载以太网互操作性测试

互操作性测试包括3项测试内容：链接时间测试、信号品质测试以及电缆诊断测试。

链接时间是指被测件和对端设备之间建立链接的时间，该测试是为了确保控制器在设计时间内建立链接，而不会出现较大的时间变化。需要使用到特定的测试设备作为Link Partner，需要对对端设备上电时间、被测件上电时间以及被测件唤醒时间测试。链接时间测试要求必须使用相反的主/从配置将DUT连接到链路伙伴，通信信道的极性必须正确。

链接时间测试又分为触发-开启链路伙伴、触发-开启DUT和触发-唤醒DUT三项测试。

触发-开启链路伙伴测试是指测试与被测件DUT建立连接的系统 （这里称为Link Partner）的链接时间是否满足要求。当Link Partner启动后，记录开始时间tstart，然后读取Link Partner状态寄存器，如果link_control=active link时，记录此时的时间为tstop，计算通电和链接之间的时间tup=tstop-tstart，关闭Link Partner，重复此过程100次，计算σt、tmin和tmax。计算公式如下所示：

测试结果应满足σt≤50ms，为链路所有节点的平均启动时间。

触发-开启DUT测试是指测试被测件DUT和Link Partner的链接时间是否满足设计要求。被测件DUT启动电源，记录时间tstart，然后查询Link Parter的寄存器状态，如果link_control=active link时，记录下此时的时间tstop，关闭DUT电源，重复此过程100次，按照公式（2）、（3）、（4）计算σt、tmin和tmax。测试结果应满足σt≤50ms，是由制造商提供的DUT平均启动时间。

触发-唤醒DUT测试是针对具有休眠唤醒功能的系统进行的测试，不具备该功能的系统不需要执行此项测试。该测试是指被测件DUT处于休眠状态时，触发唤醒源唤醒DUT，测试触发唤醒到建立链接的时间。首先发送唤醒信号唤醒DUT，记录此时的时间tstart，查询Link Parter寄存器状态，当link_control=active link时，记录此时的时间tstop，DUT进入休眠状态，重复此过程100次。然后按照 （2）（3）（4）计算公式计算σt、tmin和tmax。测试结果应满足σt≤50ms，tmin＞10ms+为制造商提供DUT的平均唤醒时间。

链接时间测试测试需要使用CAPL或其他测试系统自带的编程工具编写测试脚本，需要区分不同DUT的唤醒条件，自动执行测试过程。

信号品质测试是指对被测件的通信信道注入人工噪声，被测件 （DUT）的信号品质指示 （SQI）应随着DUT的信道品质的降低而降低，随着DUT的信道品质的增加而增加，并且DUT上的SQI与相应的人工噪声注入时间应保持一致。测试结果要求SQI值稳定且单调地随每一步的品质增加而增加且SQI值仅在存在连接条件时有效。

电缆诊断测试是指以太网双绞线故障时的诊断测试，包括电缆近端和远端的开路测试、近端和远端的短路测试。该项测试应确保DUT能够可靠地检测到总线短路或是开路，并且可以判断近端或远端，并将故障通过诊断的方式播报。

2 结束语

物理层作为OSI模型中的第1层，具有物理连接和编码解码等作用，物理层的可靠性直接影响到数据链路层、传输层、网络层以及应用层的可靠性，物理层测试必不可少。