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Automotive Ethernet und wie der Test auf Systemebene erfolgt

Autor / Redakteur: Lee Morgan * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für eine höhere Signalbandbreite nutzt Automotive Ethernet eine sogenannte Voll-Duplex-Kommunikationsverbindung. Auf Systemebene bietet sich das Oszilloskop als Werkzeug an. Doch worauf ist beim Test noch zu achten?

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Test auf Systemebene: Bei Automotive Ethernet wird die Signalintegrität und der Datenverkehr auf 
Systemebene unter realistischen Bedingungen charakterisiert und visualisiert.
Test auf Systemebene: Bei Automotive Ethernet wird die Signalintegrität und der Datenverkehr auf 
Systemebene unter realistischen Bedingungen charakterisiert und visualisiert.
(Bild: ©metamorworks - stock.adobe.com)

Der Trend hin zu Fahrerassistenzsystemen (ADAS), intelligenten Sicherheitssystemen sowie vernetzten und autonom fahrenden Autos erfordert ein zuverlässiges Fahrzeug-Netzwerk und Breitbandverbindungen.

In Autos können heute bis zu 100 elektronische Steuergeräte (ECUs) enthalten sein, die über meterlange Kabelbäume mit Sensoren im gesamten Fahrzeug verbunden sind. Konventionelle Automobilnetzwerke wie CAN, CAN-FD, LIN, MOST und FlexRay verfügen nicht über die notwendige Bandbreite. Noch schwieriger wird das in den autonomen hoch vernetzten Autos der Zukunft. Automotive Ethernet hat seinen Ursprung im Ethernet. Doch er enthält entscheidende Modifikationen auf der Bitübertragungsschicht, um die Automobilanforderungen erfüllen zu können. Die erste Version des Standards war unter der Bezeichnung BroadR-Reach bekannt und wurde später durch die IEEE Versionen 100BASE-T1 (802.3bw) und 1000BASE-T1 (802.3bp) verdrängt.

100 MBit/s für die Fahrzeugkommunikation

In den meisten Autos kommt heute der Standard 100BASE-T1 zum Einsatz. Dieser erlaubt einen Betrieb mit 100 MBit/s selbst in der sehr störanfälligen Umgebung eines Fahrzeugs. Mit der angegebenen Datenrate ist Automotive Ethernet deutlich schneller als konventionelle Bus-Systeme wie der CAN-Bus. Zukünftige Designs werden 1000BASE-T1 nutzen. Damit sind zehnmal höhere Datenraten möglich. Da die Signalisierung mit immer höheren Datenraten erfolgt, muss eine umfassende Design-Validierung auf Systemebene erfolgen, um die Interoperabilität und einen zuverlässigen Betrieb der vielen ECUs und Sensoren sicherzustellen. Solche Design-Anforderungen blieben in der Vergangenheit oft unbeachtet, gewinnen jedoch immer mehr an Bedeutung.

Für eine höhere Signalbandbreite nutzt Automotive Ethernet eine Voll-Duplex-Kommunikationsverbindung über ein verdrilltes Leitungspaar mit gleichzeitigem Senden und Empfangen und PAM3-Signalisierung. Die Visualisierung des Datenverkehrs sowie der Signal-Integritätstest werden wegen der Voll-Duplex-Kommunikation mit PAM3 deutlich komplexer. Mit einer neuen Methode ist der Test auf Systemebene für eine Voll-Duplex-Kommunikation möglich. Doch dazu muss die Leitung aufgetrennt werden, um den Zugang zu den Voll-Duplexsignalen zu erhalten.

Warum die Tests auf Systemebene erfolgen

Die Testspezifikationen für Automotive Ethernet wurden von der OPEN Alliance für Komponenten, Kanäle sowie Interoperabilität definiert und umfassen zudem die Integration der ECUs, Steckverbindungen sowie der verdrillten Kabel. Um die Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu erfüllen, müssen die Prüfingenieure die Störbedingungen eines Fahrzeugs berücksichtigen. Dabei wird die Signalintegrität und der Datenverkehr auf Systemebene unter realistischen Bedingungen charakterisiert und visualisiert. Im Rahmen einer Signalintegritätsprüfung auf Systemebene gehören beispielsweise:

  • TC8-Signalqualitätsprüfung,
  • Charakterisierung und Test von ECU-Komponenten,
  • Test und Charakterisierung von Kabel, Steckverbindern, Kabellängen und Leitungsverlauf des Automotive Ethernet,
  • Prüfung der elektromagnetischen Störempfindlichkeit (EMS) oder Test mit Gaußschem Rauschen,
  • Bulk-Current-Injection-Test,
  • Produktionstest,
  • Einfluss von Automobilsystemen auf die Leistung des Automotive Ethernet,
  • Gleichstrommotor Ein/Aus,
  • Motor Ein/Aus und
  • Fehlersuche auf Systemebene.

Das Oszilloskop als geeignetes Mess-Werkzeug

Die Signalintegritätsprüfung sollte während der Fahrzeugintegrationsphase erfolgen, damit die richtigen Kabel ausgewählt und die ECU-Performanz unter elektromagnetischen Störumgebungen überprüft sowie die optimalen Kabellängen und Leitungsführung bestimmt werden können. Für diese Art der Analyse ist ein mit einem Oszilloskop erzeugtes Augendiagramm das beste Tool, um die Systemstabilität zu visualisieren. Damit erhält der Entwickler Einblick in die Bitübertragungsschicht (PHY) und kann Fehler aufgrund möglicher Temperaturfluktuationen oder elektromagnetischen Störungen identifizieren. Beim Einsatz von Gateways, die CAN oder andere konventionelle Busse auf Automotive Ethernet und umgekehrt umwandeln, sind genaue Timing-Analysen auf Systemebene für die Latenzzeiten wichtig.

Bild 1: Die MSO-Oszilloskope der Serie 6 von Tektronix bieten eine Analog-Bandbreite von bis zu 8 GHz, eine Abtastrate von 25 GS/s und eine 12-Bit-Auflösung. Damit lassen sich Automotive Ethernet Signale genau erfassen.
Bild 1: Die MSO-Oszilloskope der Serie 6 von Tektronix bieten eine Analog-Bandbreite von bis zu 8 GHz, eine Abtastrate von 25 GS/s und eine 12-Bit-Auflösung. Damit lassen sich Automotive Ethernet Signale genau erfassen.
(Bild: Tektronix)

Für die Datenrate von 100 MBit/s bei Automotive-Ethernet erfordert ein Oszilloskop mit einer Bandbreite von mindestens 1 GHz und einer hohen Abtastrate. Für 1000BASE-T1 sollte die Bandbreite bei 2 GHz liegen. Ideal sind Oszilloskope, die mit einem PAM3 Analyse-Software-Paket inkl. Taktrückgewinnung ausgestattet sind. Damit erhält der Entwickler ein besseres Verständnis der Signalcharakteristik bei Validierung und Charakterisierung des PAM3-Designs und verschiedenen Kabellängen, Störbedingungen oder ECU-Konfigurationen (Bild 1).

Die Voll-Duplex-Kommunikation ist in Kombination mit der PAM3-Signalisierung für die hohe Performanz von Automotive Ethernet verantwortlich – erhöht aber gleichzeitig die Komplexität bei der Validierung von ECUs unter realistischen Bedingungen. Die meisten seriellen Übertragungsstandards arbeiten im Simplexbetrieb, wobei immer nur ein Endgerät kommuniziert oder es gibt separate Verbindungen für Sender und Empfänger.

Zwei Methoden, Master- und Slave-Signale zu trennen

Bild 2: Bei Automotive Ethernet können Master- und Slave-Geräte gleichzeitig über dieselbe Verbindung kommunizieren.
Bild 2: Bei Automotive Ethernet können Master- und Slave-Geräte gleichzeitig über dieselbe Verbindung kommunizieren.
(Bild: Tektronix)

Bild 3: 
Ohne eine Trennung der Master- und Slave-Signale ist ein Automotive Ethernet Augendiagramm unbrauchbar.
Bild 3: 
Ohne eine Trennung der Master- und Slave-Signale ist ein Automotive Ethernet Augendiagramm unbrauchbar.
(Bild: Tektronix)

Bei Automotive Ethernet kommunizieren jedoch Master und Slave simultan über dieselbe Verbindung (Bild 2). Deshalb sind die Signale von Master und Slave überlagert. Der Master weiß, welche Daten er gesendet hat. Somit kann er das Slave-Signal aus dem überlagerten Signal ermitteln und umgekehrt. Während der Transceiver für diese Aufgabe entwickelt wurde, ist es für ein Oszilloskop praktisch unmöglich, das Signal für einen Signal-Integritätstest oder eine Protokolldekodierung zu isolieren.

Bild 3 zeigt das Beispiel eines Automotive-Ethernet-Signals ohne Trennung der Master- und Slave-Signale. Hier wird deutlich, dass Entwickler bei einer Signalintegritätsanalyse und Protokolldekodierung in einer realistischen Systemumgebung mit einem Oszilloskop jede Verbindung getrennt betrachten müssen. Deshalb ist eine Auftrennung der Signalleitung vor der Analyse erforderlich.

Zurzeit gibt es zwei Methoden, um Master- und Slave-Signale zu trennen: Bei der konventionellen Methode wird das Automotive-Ethernet-Kabel aufgetrennt und es ist ein Richtkoppler notwendig, um die Signale separat prüfen zu können. Diese Methode hat bestimmte Nachteile im Hinblick auf genaue Messungen mit minimalen Unterbrechungen. Messtechnikhersteller haben deshalb eine neue Methode vorgestellt, die eine nicht-invasive Trennung der Signale über Software und Tastköpfen erlaubt. Die Ingenieure können damit die wirklichen Signale mit größerer Klarheit darstellen. Diese Methode unterbindet zwar die Nachteile der konventionellen Richtkoppler-Methode, aber bietet sie auch wirklich eine höhere Messgenauigkeit?

Der Einsatz eines Richtkopplers bei der Messung

Bild 4: Mithilfe von Software lassen sich die Automotive-Ethernet-Signale trennen, was auch die Komplexität des Messaufbaus reduziert.
Bild 4: Mithilfe von Software lassen sich die Automotive-Ethernet-Signale trennen, was auch die Komplexität des Messaufbaus reduziert.
(Bild: Tektronix)

Für den direkten Vergleich wurde nach softwarebasierter Methode getestet: Die Signale wurden mittels Strom- und Spannungstastköpfen gemessen. Anschließend wurde das Automotive-Ethernet-Kabel aufgeschnitten und die Richtkoppler mit SMA-Steckverbindern eingefügt. Wie in Bild 4 dargestellt ist der Testaufbau für den softwarebasierten Ansatz viel einfacher und nicht-invasiv. Die Tests wurden unter denselben Versuchsbedingungen durchgeführt. Anschließend erfolgte ein Vergleich der Testergebnisse. Beim Richtkoppler-Ansatz wird das Automotive-Ethernet-Kabel aufgetrennt und ein Richtkoppler eingefügt, um den Datenverkehr zu trennen.

Es ist nicht einfach, das Kabel auf Systemebene zu durchtrennen, sodass diese Methode für die meisten Testanwendungen auf Systemebene weniger geeignet ist. Dieser Ansatz ermöglicht zwar einen richtigen Zugriff auf die Master- und Slave-Signale, verursacht aber Einfüge- und Rückflussdämpfungen. Dadurch ist es schwierig zu unterscheiden, ob ein Fehler auf das System oder den zusätzliche Richtkoppler zurückzuführen ist. Rechnerisch lassen sich die Effekte des Richtkopplers korrigieren, doch das De-Embedding kann Störungen im System verstärken und damit die Mess- und Charakterisierungsgenauigkeit negativ beeinflussen.

Bild 5: Das Augendiagramm eines Master-Signals verdeutlicht, welchen Einfluss die Einfüge- und Rückflussverluste beim Einsatz eines Richtkopplers haben.
Bild 5: Das Augendiagramm eines Master-Signals verdeutlicht, welchen Einfluss die Einfüge- und Rückflussverluste beim Einsatz eines Richtkopplers haben.
(Bild: Tektronix)

Das Augendiagramm (Bild 5) verdeutlicht den Einfluss der Einfüge- und Rückflussdämpfung auf die Automotive Ethernet Signale bei einem installierten Richtkoppler. Wie zu sehen ist, erreicht die maximale Amplitude nur 100 mVpp, da der Richtkoppler und die Einfüge- und Rückflussdämpfung das Augendiagramm relativ stark schließen.

Die Vorteile eines softwarebasierten Ansatzes

Bild 6: Die Verwendung eines software-basierten Ansatzes, um Automotive Ethernet Signale zu separieren, hat im Vergleich zu einem Richtkoppler sauberere Augendiagramme zur Folge.
Bild 6: Die Verwendung eines software-basierten Ansatzes, um Automotive Ethernet Signale zu separieren, hat im Vergleich zu einem Richtkoppler sauberere Augendiagramme zur Folge.
(Bild: Tektronix)

Im Gegensatz zum Richtkoppler, der über einen hardwarebasierten Ansatz die Signale trennt, wird bei einem Softwareansatz das Voll-Duplexsignal durch die Betrachtung der Spannungs- und Stromsignale sowohl vom Master als auch von den Slave-Testpunkten separiert. Die unterschiedlichen Signale werden mit Softwarealgorithmen gewonnen. Solch eine softwarebasierte Lösung erfordert keine Auftrennung des Automotive-Ethernet-Kabels und die Master- und Slave-Signale lassen sich ohne zusätzliche Einfüge- und Rückflussdämpfung darstellen. Ein De-Embedding ist nicht notwendig. Der softwarebasierte Ansatz verbessert die Signalqualität durch sauberere Augen (Bild 6).

Bild 7: Ein Vergleich der Spitze-zu-Spitze-Spannung zeigt einen Verlust von 20 dB durch den Richtkoppler.
Bild 7: Ein Vergleich der Spitze-zu-Spitze-Spannung zeigt einen Verlust von 20 dB durch den Richtkoppler.
(Bild: Tektronix)

Ein Vergleich der Spitze-zu-Spitze-Spannungen (Bild 7) zeigt eine deutliche Amplitudendifferenz zwischen den beiden Methoden. Im Fall der Richtkoppler-Methode liegt die Amplitude bei etwa 90 mVpp beim Master und 85 mVpp beim Slave. Im Vergleich dazu erreichte der Softwareansatz eine Amplitude von etwa 1,5 Vpp beim Master und 1,45 Vpp beim Slave. Anhand dieses Vergleichs lässt sich erkennen, dass der Richtkoppler die Signalstärke um 20 dB reduziert – ein deutlicher Verlust, insbesondere wenn beispielsweise Grenzfälle vorliegen.

Die vom Richtkoppler verursachten Diskontinuitäten lassen sich durch De-Embedding ausgleichen, indem Einfüge- und Rückflussverluste kompensiert werden. Die Effekte des Richtkopplers lassen sich entfernen, aber das De-Embedding kann wiederum Störungen im gesamten System verstärken und die Mess- und Charakterisierungsgenauigkeit beeinflussen. Allerdings ist das De-Embedding zeitaufwendig und komplex sowie das Auftrennen von Kabeln und die Installation des Richtkopplers für einen Test auf Systemebene als auch für Wartungsaufgaben an einem Automobil sehr schwierig. Im Vergleich dazu zeigt die Software-Methode das wirkliche Signal, ohne das gesamte Mess-System zu stören, womit sich Signale besser charakterisieren lassen.

* Lee Morgan ist Senior Technical Marketing Manager bei Tektronix.

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