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Oszilloskope zur Fehlersuche in Automotive-Ethernet-Netzwerken : Ausgabe 09/2018, 23.05.2018

Umfassende Analyse verkürzt Fehlersuche

Entwickler von Steuergeräten mit Automotive-Ethernet-Schnittstelle müssen die fehlerfreie Funktion ihrer Geräte testen. Wenn Probleme bei der Signalübertragung auftreten, reicht eine Ethernet-Protokollanalyse meist nicht aus. Abhilfe schafft diese Trigger- und Dekodierlösung für Oszilloskope. Mit ihr kann man auf die Ethernet-Protokollinhalte triggern, diese dekodieren und zu den Bussignalen zeitlich in Bezug setzen.

Autor: Dr. Ernst Flemming, Text und Bilder

Automotive Ethernet setzt sich als schnelles Bussystem in Fahrzeugen unter anderem für Fahrerassistenz- und Infotainmentsysteme zunehmend durch. Die Automobilindustrie hat hierzu die Ethernet-Schnittstelle 100BASE-T1 entwickelt, die auf der BroadR-Reach-Technologie basiert und von der IEEE-Arbeitsgruppe 802.3bw standardisiert wurde. 100BASE-T1 nutzt eine Vollduplex-Ethernet-Kommunikation über ein ungeschirmtes, verdrilltes Adernpaar (twisted pair Ethernet). Die 100BASE-T1-Signale sind PAM-3 moduliert mit Pegeln des differenziellen Signals zwischen –1 und +1 V. Die Datenrate ist mit 100 MBit/s deutlich schneller als bei traditionellen Bussystemen wie beispielsweise dem CAN-Bus.

Equalizer zerren die Signale vor

Die 100BASE-T1-Signale werden vom Transmitter im Frequenzgang angepasst, um eine zuverlässige Übertragung bei minimaler Hochfrequenzabstrahlung über das ungeschirmte Kabel sicherzustellen. Hierfür sieht der 100BASE-T1-Standard zwingend einen Equalizer im Transmitter vor. Beim Verbindungsaufbau vermessen die 100BASE-T1 PHY-Chips den Frequenzgang des Kabels. Für die folgende Datenübertragung vorverzerren die Equalizer die Signale, um eine zuverlässige Signalübertragung bei gleichzeitig minimaler Abstrahlung über das Kabel zu erzielen. Im Vergleich zum Standard-Ethernet 100BASE-Tx, das ohne Equalizer arbeitet, sind die Signale des 100BASE-T1-Systems durch die Vorverzerrung stark verzerrt. Daher kann der Entwickler die Signalqualität nicht mehr ausschliesslich durch Analyse der Pegel der elektrischen Bussignale beurteilen.

Test von Automotive-Ethernet- Schnittstellen

In der IEEE sind die Eigenschaften der 100BASE-T1-Schnittstellen spezifiziert. Mit dem standardisierten Konformitätstest vermisst der Entwickler die elektrischen Eigenschaften der Schnittstelle mithilfe von Oszilloskop und Netzwerkanalysator im Labor. Die korrekte Kommunikation des Steuergeräts wird üblicherweise mit einem Ethernet-Protokollanalysewerkzeug wie Vector CANoe oder Wireshark überprüft. Diese zeichnen den kompletten Ethernet-Datenverkehr auf und bieten damit umfangreiche Analysemöglichkeiten. Übertragungsfehler zeigen sich jedoch lediglich als Telegrammfehler und erlauben keine tiefergehende Analyse der Fehlerursache. Dafür verwendet man in der Regel ein Oszillos­kop mit einer entsprechenden Trigger- und Dekodierlösung. Mit der neuen Trigger- und Dekodierlösung für den 100BASE-T1-Bus von Rohde & Schwarz kann ein Entwickler von Steuergeräten jetzt erstmals direkt die elek­trischen Signale mit dem übertragenen Telegramminhalt korrelieren und analysieren. Die Fehlersuche zum Beispiel von Störungen auf dem Bus wird damit bei Automotive Ethernet ähnlich einfach wie bei den traditionellen CAN-Bussen, für die es ebenso leistungsfähige Trigger- und Dekodieroptionen gibt.

Besonderheiten der Automotive-Ethernet-Trigger- und Dekodieroption

Bei der 100BASE-T1-Kommunikation werden beide Datenströme zugleich über ein verdrilltes Adernpaar übertragen. Wenn der Anwender den Buspegel mit einem Oszilloskop aufzeichnet, misst er damit die Überlagerung der Datenströme beider Busteilnehmer. Ohne Separation dieser Datenströme ist eine Analyse nicht möglich. Das R&S RT-ZF5 Ethernet Probing Fixture ist daher mit geeigneten Richtkopplern ausgestattet. Es wird in den Ethernet-Leitungsstrang eingefügt und separiert die Datenströme so, dass eine rückwirkungsfreie Aufzeichnung der 100BASE-T1-Kommunikation mit einem Oszilloskop möglich ist.

Die aufgezeichneten Signale sind jedoch durch den Equalizer des 100BASE-T1-Transmitters stark verzerrt. Deshalb werden die Signale für die weitere Bearbeitung zuerst mit komplexen Algorithmen wieder entzerrt und dann dekodiert. Das Oszilloskop löst zur Dekodierung das verwendete Scrambling der Telegramme auf und zeigt alle gesendeten Datentelegramme und Idle-Frames an. Die dekodierten Telegramme werden als farbkodierte Bussignale und als Tabelle angezeigt. Der Entwickler kann so die Live-Signale des 100BASE-T1 mit den übertragenen Protokollinhalten korrelieren und im Detail analysieren. Umfangreiche Triggermöglichkeiten erlauben ihm zusätzlich, sich beispielsweise isoliert Telegramme mit bestimmter Sende- oder Zieladresse anzeigen zu lassen.

Analyse von Telegrammfehlern

Die Buskommunikation lässt sich mit der 100BASE-T1-Dekodierung in zeitlichen Zusammenhang zu anderen Signalen setzen. So können User zur Fehlersuche die Startzeit eines Steuergeräts messen, indem sie das Oszilloskop auf die 12 V triggern und die Zeit bis zum Eintreffen des ersten gültigen Telegramms messen. Die Stabilität der Buskommunikation lässt sich auch einfach überprüfen: Man triggert auf kurzzeitige Unterbrechungen der Spannungsversorgung und analysiert resultierende Unterbrechungen in der Buskommunikation. Treten diese gehäuft auf, ist die Stabilität stark beeinträchtigt. Sporadische Fehler durch Einkopplung von Störquellen sind ohne weitere Analysemöglichkeiten schwer zu beheben. Mit der Dekodierung der 100BASE-T1-Kommunikation lassen sich die Buskommunikation über alle Protokollschichten zeitlich korreliert analysieren und Störquellen identifizieren.

Fazit

Rohde & Schwarz bietet für Entwickler von Steuergeräten mit Automotive-Ethernet-Schnittstellen eine vollständige 100BASE-T1-Trigger- und Dekodierlösung einschliesslich Test-Fixture für den rückwirkungsfreien Signalabgriff. Umfangreiche Funktionen bei Triggerung und Anzeige der übertragenen Telegramme unterstützen den Entwickler bei der Fehlersuche. Die angezeigte Dekodierinformation ist zeitlich korreliert zum elektrischen Signal. So kann der Anwender bei seiner Fehlersuche sowohl den Protokollinhalt analysieren als auch die Ursachen von auftretenden Busfehlern schnell identifizieren. 

Infoservice

Roschi Rohde & Schwarz AG
Mühlestrasse 7, 3063 Ittigen
Tel. 031 922 15 22, Fax 031 921 81 01
sales@roschi.rohde-schwarz.com
www.rohde-schwarz.com/ch



Entwickler von Steuergeräten können jetzt auch bei Automotive-Ethernet mit dem Oszilloskop Fehlersuche betreiben


Mit dem Oszilloskop und einer Trigger- und Decodier-Option wird über alle sieben OSI-Schichten gemessen, was zahlreiche Prüf- und Analysemöglichkeiten eröffnet



Ein differentielles 100BASE-Tx Signal mit drei Leveln und steilen Flanken im Übergang – verglichen dazu das Automotive 100BASE-T1-Signal, bei dem die drei Level des PAM-3-Signals nicht immer klar erkennbar sind (oben)


Das R&S RT-ZF5 Ethernet Probing Fixture

Autor


Dr. Ernst Flemming ist Produktmanager für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München

Nötige Ausstattung

Oszilloskop: RTO2004 (4 Kanäle, ≥600 MHz Bandbreite) oder RTE1054 (4 Kanäle, ≥500 MHz Bandbreite)

RTE-TDBNDL für die serielle Trigger- und Dekodier-Funktionalität

RTO-K57 oder RTE-K57 für die Unterstützung von 100Base-T1

Ethernet Probing Fixture RT-ZF5 zur Kanalseparierung

RTO-K24-BroadR-Reach-Compliance-Test-Option (fakultativ)

RTO-K87-1000BASE-T1-Ethernet Compliance-Test-Option (fakultativ)

Roschi R & S im swissT.net

Sektion 21: Mess- & Prüftechnik