Osciloscopios para la depuración de redes Ethernet en automóviles
Los desarrolladores de unidades de control electrónico (o ECU, por sus siglas en inglés) con interfaz Ethernet para automóviles deben realizar pruebas para verificar el correcto funcionamiento de sus dispositivos. Sin embargo, si hay problemas durante la transmisión de las señales, un simple análisis del protocolo Ethernet no resulta adecuado en la mayoría de casos. El nuevo paquete de funciones de disparo y decodificación para osciloscopios de Rohde & Schwarz ofrece una solución a este problema. Este paquete permite a los desarrolladores realizar disparos en el contenido del protocolo Ethernet transmitido, decodificar el contenido y correlacionar su tiempo con las señales eléctricas de bus. Esto ayuda a agilizar considerablemente el análisis de problemas durante las tareas de depuración.
Cada vez se emplea más Ethernet en la industria automovilística, ya que resulta un sistema de bus rápido para aplicaciones en vehículos (como p. ej. los sistemas de infoentretenimiento y de asistencia al conductor). El sector del automóvil desarrolló con este fin la interfaz Ethernet 100BASE-T1, basada en la tecnología Broadrreach® y ha sido estandarizada por el grupo de trabajo IEEE 802.3bw. 100BASE-T1 emplea un sistema de comunicación dúplex completo por un par trenzado sin blindaje para Ethernet. Las señales 100BASE-T1 tienen modulación PAM-3 y los niveles de las distintas señales están entre –1 V y +1 V. Gracias a sus 100 Mbit/s, la velocidad de transmisión de datos es considerablemente superior a la de los sistemas tradicionales de bus, como p. ej. el bus CAN.
El transmisor modifica la respuesta en frecuencia de las señales 100BASE-T1 para garantizar una transmisión fiable con fugas de RF mínimas desde el cable sin blindaje. El estándar 100BASE-T1 precisa de un ecualizador
en el transmisor. Al establecer la conexión, los chips PHY de 100BASE-T1 miden la respuesta en frecuencia del cable. Los ecualizadores predistorsionan las señales para la transmisión de datos posterior con el objetivo de garantizar una transmisión fiable de las señales a la vez que se minimizan las fugas de RF del cable. En comparación con el estándar 100BASE-TX de Ethernet, que funciona sin ecualizadores, las señales en el sistema
100BASE-T1 se distorsionan considerablemente a causa de la predistorsión. En consecuencia, los desarrolladores no pueden evaluar la calidad de las señales solamente analizando los niveles de las señales eléctricas del bus.
Fig. 1a: Una señal diferencial 100BASE-TX. Los tres niveles y las transiciones bruscas son claramente visibles.
Fig. 1b: Para facilitar una comparación, esta es la señal 100BASE-T1 en automóviles. Los tres
niveles de la señal PAM-3 no siempre son claramente visibles debido a la predistorsión producida por el ecualizador.
Pruebas de interfaces Ethernet en automóviles
El IEEE ha especificado las características de las interfaces 100BASE-T1. Con el ensayo de conformidad estandarizado, los desarrolladores pueden medir las características eléctricas de la interfaz usando un osciloscopio y un analizador de redes en un laboratorio. Normalmente, se usa una herramienta de análisis del protocolo Ethernet como Vector CANOE o Wireshark con el fin de comprobar que la unidad de control electrónico gestiona correctamente las comunicaciones. Las herramientas de este tipo registran todo el tráfico de datos de Ethernet y ofrecen capacidades de análisis exhaustivas. Sin embargo, los errores de transmisión se muestran únicamente como errores de telegrama y no es posible analizar a fondo su causa básica. Para ello, generalmente se necesita un osciloscopio con un paquete adecuado de funciones de disparo y decodificación.
Fig. 2: El módulo de sondeo de Ethernet R&S RT-ZF5 permite el registro no invasivo de ambos flujos de datos en un sistema de comunicación dúplex completo 100BASE-T1.
Gracias al nuevo paquete de funciones de disparo y decodificación para el bus 100BASET1 de Rohde & Schwarz, los desarrolladores de unidades de control electrónico pueden, por primera vez, correlacionar directamente las señales eléctricas con el contenido del telegrama transmitido como parte de sus tareas de análisis. Así, por ejemplo, los problemas en el bus de aplicaciones Ethernet en automóviles pueden depurarse con la misma facilidad que los buses CAN convencionales (para los que también hay paquetes de funciones de disparo y decodificación muy eficaces).
Fig. 3: Decodificación 100BASE-T1 de ambos flujos en un sistema de comunicación dúplex completo. La trama MAC está resaltada en color y las tramas inactivas de transmisión continua son de color gris.
Prestaciones especiales del paquete de funciones de disparo y decodificación de Ethernet en automóviles
En las comunicaciones de tipo 100BASE-T1, ambos flujos de datos se transmiten simultáneamente mediante un par trenzado. Si el usuario registra el nivel de bus con un osciloscopio, se miden los flujos de datos sobrepuestos de ambos usuarios del bus. Sin separar estos flujos de datos, es imposible realizar el análisis necesario. El módulo de sondeo de Ethernet R&S RTZF5 de Rohde & Schwarz cuenta con acopladores direccionales con este fin. Tras la introducción en la sección de la línea Ethernet, separa los flujos de datos para permitir el registro no invasivo de las comunicaciones 100BASE-T1 con un osciloscopio.
Fig. 4: Decodificación de los niveles eléctricos de bus 100BASET1. Los dos niveles de la señal diferencial 100BASE-T1 son claramente visibles junto con el contenido del telegrama decodificado.
Sin embargo, las señales registradas se han distorsionado considerablemente a causa del ecualizador empleado en el transmisor 100BA
SE-T1. Antes de seguir procesándose, las señales se ecualizan mediante algoritmos complejos y, a continuación, se decodifican. El osciloscopio descifra los telegramas en el proceso de decodificación y muestra las tramas inactivas y los telegramas de datos que se han transmitido. Los telegramas decodificados se muestran como señales de bus codificadas con colores y en formato tabular. Esto permite a los desarrolladores correlacionar las señales 100BASE-T1 en vivo con el contenido del protocolo transmitido para realizar análisis muy exhaustivos.
Su gran capacidad de disparo también permite a los desarrolladores, por ejemplo, ver telegramas aislados con una fuente o unas direcciones de destino específicas.
Análisis de errores de telegramas
La relación temporal entre las comunicaciones de bus y las otras señales puede revelarse basándose en la decodificación de 100BASE-T1. Por ejemplo, los usuarios pueden averiguar la hora de inicio de una ECU para realizar la depuración disparando el osciloscopio en la tensión de alimentación de 12 V y midiendo el tiempo transcurrido hasta la llegada del primer telegrama válido. La estabilidad de las comunicaciones de bus puede comprobarse con la misma facilidad: el desarrollador configura el disparo específicamente para las interrupciones breves de la tensión de alimentación y analiza después las interrupciones resultantes en las comunicaciones de bus. Si se producen muchas interrupciones, la estabilidad se verá alterada de manera considerable.
Fig. 5: Usando el osciloscopio con el paquete de funciones de disparo y decodificación, pueden realizarse mediciones en las siete capas OSI, lo que permite una amplia gama de posibilidades de análisis y pruebas.
Puede resultar difícil depurar los errores de bus esporádicos que surgen del acoplamiento de fuentes de interferencia si no se dispone de capacidades adicionales de análisis. Al decodificar las comunicaciones 100BASE-T1, los desarrolladores pueden analizar las comunicaciones de bus de todas las capas del protocolo con una correlación temporal adecuada para identificar el acoplamiento de fuentes de interferencia.
Así, por ejemplo, en la medición de la figura 6, la trama MAC y las tramas inactivas se transmiten correctamente al inicio del registro. Sin embargo, el flujo de datos se interrumpe súbitamente a mitad del registro. En la señal inferior, se traza el espectro de frecuencias de la señal interferente (área marcada en gris). Hay un pico claramente visible (2 MHZ). Obviamente, esta señal interferente provocó la interrupción del bus. Las funciones de decodificación junto con
otras herramientas de análisis del osciloscopio (como análisis de frecuencia) facilita enormemente este tipo de depuración. Por ejemplo, el osciloscopio permite que se detecten interferencias con solo un vistazo que resultarían complicado aislar usando otros métodos.
Fig. 6: Análisis de la interrupción esporádica en la comunicación de bus usando una combinación de análisis de protocolo y de frecuencias.