列車以太網(wǎng)物理層一致性測試的應(yīng)用*

孔 元， 李元軒,2， 黃志平,2， 趙紅衛(wèi)， 張 波

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

近年來，鐵路機(jī)車車輛技術(shù)的發(fā)展作為鐵路領(lǐng)域先進(jìn)制造業(yè)的代表，呈現(xiàn)著日新月異的變化。動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信技術(shù)也在逐步發(fā)展，目前正處在從TCN技術(shù)體系[1]中MVB/WTB技術(shù)向著以太網(wǎng)方向演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)從中低速總線向著高速數(shù)據(jù)連接的技術(shù)跨越，設(shè)計(jì)上從封閉的工業(yè)總線向著開放的工業(yè)、商業(yè)等多用途網(wǎng)絡(luò)連接方式變化，使得列車通信網(wǎng)絡(luò)通信能力進(jìn)一步提升。國際電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC(International Electrotechnical Commission)針對列車以太網(wǎng)的應(yīng)用相繼發(fā)布了IEC 61375-3-4[2]、IEC 61375-2-5[3]、IEC 61375-2-3[4]、IEC 61375-2-4[5]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確立了列車以太網(wǎng)技術(shù)的通信體系的整體架構(gòu)和通信方式。在該體系中，現(xiàn)已明確列車以太網(wǎng)通信的相關(guān)特性，諸如：列車以太網(wǎng)采用100 Mb/s全雙工以太網(wǎng)通信方式、規(guī)定了相關(guān)延時小于10 ms、通信數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)建議采用列車實(shí)時數(shù)據(jù)通信協(xié)議TRDP(Train Realtime Data Protocol)等特性。當(dāng)前，以太網(wǎng)技術(shù)作為一種較為成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其產(chǎn)品及解決方案繁多，如何保障動車組上各系統(tǒng)采用的以太網(wǎng)設(shè)備遵循統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)成為了動車組系統(tǒng)集成需要解決的重要問題。為保障動車組列車上所使用的以太網(wǎng)設(shè)備均符合相關(guān)IEC、IEEE以太網(wǎng)規(guī)范要求，需驗(yàn)證特定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的通信符合性，需設(shè)計(jì)測試步驟、完善測試平臺等相關(guān)手段，對以太網(wǎng)的通信能力、通信特征進(jìn)行陳述和檢定。受限于測試環(huán)境、技術(shù)因素，不可能做到完全徹底的測試，經(jīng)濟(jì)上的考慮也限制了測試內(nèi)容，需圍繞核心參數(shù)進(jìn)行測試，因此測試方案是對設(shè)備指標(biāo)參數(shù)提煉與概括。

不同于一般商業(yè)及民用以太網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)在列車上正常運(yùn)行，除通信協(xié)議的差異外，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的主要區(qū)別在于需要考慮列車上更為復(fù)雜的電磁環(huán)境，以太網(wǎng)信號傳輸將受到更多的干擾。接入列車以太網(wǎng)的終端設(shè)備，必須通過其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保障數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的以太網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的符合性驗(yàn)證。因此，以太網(wǎng)的物理層研究對于保障列車以太網(wǎng)信號的完整性和準(zhǔn)確性具有重要意義。

文中對列車以太網(wǎng)物理層信號的特征進(jìn)行了梳理，總結(jié)了以太網(wǎng)信號的相關(guān)特征，針對以太網(wǎng)物理層信號的一致性測試項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行了描述，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)一致性試驗(yàn)臺的基本架構(gòu)和測試方案。實(shí)踐證明以太網(wǎng)物理層一致性測試平臺不僅可以對不合格被測設(shè)備進(jìn)行鑒別，并且還可以列出測試結(jié)果和參數(shù)，對后續(xù)被測設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持，為中國標(biāo)準(zhǔn)動車組中的以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用和系統(tǒng)集成提供基礎(chǔ)。

1 以太網(wǎng)信號的特征

IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[6]定義的開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI(Open System Interconnection, OSI/RM, Open Systems Interconnection Reference Model)七層模型中，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸使用的物理層定義包括物理編碼PCS(Physical Coding Sublayer)子層、物理介質(zhì)連接子層PMA(Physical Medium Attachment)和物理介質(zhì)相關(guān)PMD(Physical Medium Dependent)子層。100 Mb/s以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)的PCS子層與PMA子層，同時支持光接口通信和電接口通信，并在IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步規(guī)定了列車以太網(wǎng)通信規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為電接口通信類型100BASE-TX。列車以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸使用超5類屏蔽雙絞線，并使用D型編碼M12圓形連接器，保證良好的屏蔽與數(shù)據(jù)傳輸效果。針對超5類以太網(wǎng)傳輸?shù)木€纜特征，在ANSI X3.263-1995標(biāo)準(zhǔn)[7]中定義了與傳輸信號物理特性相關(guān)的PMD子層的特征。關(guān)于以太網(wǎng)物理層的幅值、信號對稱度、上升與下降時間、占空比失真抖動、傳輸抖動以及過沖等特性規(guī)定了限值范圍，以太網(wǎng)物理層特征如表1所示。

表1 雙絞線有源輸出接口的特征

2 以太網(wǎng)物理層一致性測試的項(xiàng)點(diǎn)

根據(jù)一致性測試指示的程度可分為以下3種類型的測試：基本互聯(lián)測試、能力測試和行為測試?；净ヂ?lián)測試提供了IUT(Implementation Under Test)一致性的初步證據(jù)；能力測試檢驗(yàn)IUT的可觀測能力是否與靜態(tài)一致性要求和在PICS(Protocol implementation conformance statement)中聲明的能力一致；行為測試在IUT能力的動態(tài)一致性要求的整個范圍內(nèi)盡量提供最全面的測試。

列車以太網(wǎng)物理層一致性測試平臺應(yīng)在被測設(shè)備完成基本互聯(lián)測試和能力測試的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對以太網(wǎng)物理層通信進(jìn)行詳細(xì)的行為測試，,以實(shí)現(xiàn)對被測設(shè)備的以太網(wǎng)通信特性全面度量。對照ANSI X3.263—1995標(biāo)準(zhǔn)，測試項(xiàng)點(diǎn)具體包括：以太網(wǎng)差模輸出電壓檢測、波形過沖檢測、信號幅度對稱度檢測、上升/下降時間檢測、占空比失真檢測、發(fā)送抖動檢測、輸出信號模板檢測、發(fā)送器阻抗回輸損耗檢測、接收器阻抗回輸損耗檢測等。具體測試指標(biāo)及限值要求，如表2所示。

3 以太網(wǎng)物理層一致性測試臺的設(shè)計(jì)方案

列車以太網(wǎng)物理層一致性測試平臺主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括工控機(jī)、顯示屏、示波器、交換機(jī)和電源等通用設(shè)備以及高靈敏度差分探頭、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等專用設(shè)備。軟件部分主要包括物理層電氣特性測試軟件、設(shè)備狀態(tài)分析一致性測試軟件、測試結(jié)果導(dǎo)出報告生成軟件。

表2 物理層一致性測試指標(biāo)

從功能結(jié)構(gòu)上如圖1所示可分為人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信、測試儀器和被測單元4部分。人機(jī)交互部分主要由1臺工控機(jī)及其安裝的人機(jī)交互界面軟件構(gòu)成；數(shù)據(jù)通信部分主要由工控機(jī)、交換機(jī)和安裝于工控機(jī)上的測試軟件組成；測試儀器主要包含示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試夾具等。

圖1 測試平臺功能結(jié)構(gòu)框圖

在測試過程中需要對被測設(shè)備的以太網(wǎng)物理層信號進(jìn)行測量，但因以太網(wǎng)網(wǎng)卡并不會主動發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包用于觀測，測量存在一定的困難。一般采用兩種方式進(jìn)行測試：①主流網(wǎng)卡芯片如英特爾Intel、博通Broadcom等網(wǎng)卡，通過修改寄存器或使用廠商提供的發(fā)包工具主動發(fā)出待測數(shù)據(jù)包；②通過標(biāo)準(zhǔn)化誘導(dǎo)裝置誘導(dǎo)被測設(shè)備發(fā)包。誘導(dǎo)發(fā)包的方法配置較為方便，試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)陪測裝置用于激勵被測設(shè)備包，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示誘導(dǎo)裝置的發(fā)送端與被測設(shè)備IUT的接收端相連，被測設(shè)備的發(fā)送端連接測試夾具，并由高精度示波器獲取連接至測試夾具的以太網(wǎng)物理層信號。

圖2 誘導(dǎo)發(fā)包裝置連接示意圖

測試平臺的軟件如圖3所示可分為3個主要模塊，分別為管理程序、采集處理程序和數(shù)據(jù)存檔程序。管理程序負(fù)責(zé)驅(qū)動示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及測試系統(tǒng)的驅(qū)動工作，使得各獨(dú)立測試儀器協(xié)同工作完成相關(guān)測試參數(shù)和測試環(huán)境的設(shè)置。采集處理程序負(fù)責(zé)對測試儀接收到的物理層信號進(jìn)行接收、變換和采集，對以太網(wǎng)線路中的電流、電壓、頻率及周期等信號特征進(jìn)行讀取，并在處理程序中對原始信號進(jìn)行線性、非線性和濾波處理，獲取準(zhǔn)確信息。數(shù)據(jù)存檔程序分別運(yùn)行于測試儀器與工控機(jī)中，工控機(jī)作為上位機(jī)調(diào)用測試儀器中的結(jié)果在顯示屏中顯示，操作人員可通過顯示屏的顯示對于測試結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，并由操作人員控制將相關(guān)測試結(jié)果進(jìn)行保存，輸出測試報告存檔。

圖3 測試平臺軟件結(jié)構(gòu)框圖

考慮到列車運(yùn)行中的復(fù)雜電磁環(huán)境，一般建議在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層信號特征要求的基礎(chǔ)上在限制內(nèi)提升物理層信號質(zhì)量要求。因鐵路跨車連接器使用重載連接器，內(nèi)部使用以太網(wǎng)模塊，可能因施工質(zhì)量差異引入更多的線路損耗，在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，建議如表3所示，調(diào)整差模輸出電壓正負(fù)值范圍至±1 000～±1 050 mV。實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)執(zhí)行更高的輸出電壓要求，也有利于改善AOI模板眼圖的測試結(jié)果。

表3 鐵路環(huán)境建議修正使用的測試指標(biāo)

4 以太網(wǎng)物理層一致性測試的應(yīng)用

以太網(wǎng)物理層一致性測試可有效鑒別以太網(wǎng)被測設(shè)備的性能指標(biāo)，除檢定不合格被測樣品外，實(shí)際應(yīng)用中還可通過對比分析為被測設(shè)備給出相應(yīng)的修正建議，有助于提升設(shè)備通信質(zhì)量。通常產(chǎn)品一致性測試質(zhì)量不高主要集中在信號幅值、抖動以及回波損耗等3個方面。

(1)修正幅值改善質(zhì)量

以太網(wǎng)信號的幅值很大程度體現(xiàn)了以太網(wǎng)信號的抗衰減能力，如圖4(a)所示，被測設(shè)備測得幅值為952 mV，接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限950 mV。被測設(shè)備因信號放大電路設(shè)計(jì)不完善，造成輸出差分信號幅值偏低，在傳輸中信號強(qiáng)度偏弱，較易受信號、電源等波動造成的干擾影響。此外，由于貼近幅值指標(biāo)下限在實(shí)際產(chǎn)品制造過程中的生產(chǎn)差異可能造成量產(chǎn)產(chǎn)品易出現(xiàn)批量不合格。對被測設(shè)備提出整改建議后，如圖4(b)所示，被測設(shè)備經(jīng)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)改善幅值輸出至1 022 mV，解決該問題提升了通信質(zhì)量。

圖4 信號幅值

(2)改善信號抖動問題

以太網(wǎng)信號在發(fā)送過程中由于內(nèi)部晶振或外部環(huán)境的影響，信號的時間屬性或出現(xiàn)誤差，如圖5(a)所示，被測設(shè)備測得信號抖動為1.095 ns，接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上線1.4 ns，信號形成眼圖包絡(luò)不清晰。查找原因確定了被測設(shè)備因電路電源對電源輸入端質(zhì)量要求高，對輸入端的防護(hù)抗擾設(shè)計(jì)不完善，造成信號抖動范圍大，接收設(shè)備易出現(xiàn)誤碼判斷，最終影響通信質(zhì)量。對改進(jìn)設(shè)備電源模塊重新設(shè)計(jì)，提升了設(shè)備的抗擾能力，如圖5(b)所示，被測設(shè)備信號抖動范圍壓縮至0.573 ns，提升了信號的時間準(zhǔn)確性。

圖5 信號抖動范圍

(3)改進(jìn)阻抗匹配性能

回波損耗是被測設(shè)備端口的反射波功率與入射波功率之比，該指標(biāo)體現(xiàn)了被測設(shè)備的以太網(wǎng)接口阻抗匹配特性，該參數(shù)的設(shè)計(jì)是以超五類以太網(wǎng)線阻抗為匹配對象進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合阻抗匹配的設(shè)備接口才能在傳輸中損耗低。如圖6(a)所示，被測設(shè)備的以太網(wǎng)接口的高頻回波損耗出現(xiàn)了超過限值的情況，證明在高頻段信號出現(xiàn)了與以太網(wǎng)網(wǎng)線阻抗失配。通過重新調(diào)整接口的阻性、容性器件的參數(shù)，并重新調(diào)整了整體板卡的布線，如圖6(b)所示，測得的回波損耗值小于限值，接口阻抗匹配特性得到改善。

圖6 回波損耗值超限情況

5 總 結(jié)

動車組以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將大大提升列車網(wǎng)絡(luò)的通信能力，研究以太網(wǎng)測試方法有助于改善列車以太網(wǎng)通信質(zhì)量，實(shí)際測試結(jié)果表明可有效鑒別存在缺陷的以太網(wǎng)被測設(shè)備，并有助于排查設(shè)計(jì)源頭質(zhì)量缺陷，為以太網(wǎng)設(shè)備的通信質(zhì)量提升提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，有效提高整體列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信可靠性。以太網(wǎng)物理層試驗(yàn)方法是以太網(wǎng)通信的基礎(chǔ)，隨著測試標(biāo)準(zhǔn)和測試手段的進(jìn)一步完善，未來將會有更多的面向通信協(xié)議的測試方法或面向整體列車網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的測試方法和手段出現(xiàn)。