以太網(wǎng)頻繁出現(xiàn)通信異常、丟包等現(xiàn)象，是否會想到是硬件電路設計問題?成熟的以太網(wǎng)電路設計看似簡單，但如何保證通信質量，在通信異常時如何快速定位問題，本文將通過實際案例來講述網(wǎng)絡通訊異常的解析過程和處理方案。
一、案例情況
一日，核心板基于TI公司的DP83848KSQ PHY芯片二次開發(fā)時搭建一路百兆以太網(wǎng)電路，在研發(fā)測試階段，發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)電路頻繁出現(xiàn)通信異常，表現(xiàn)為工作一段時間后網(wǎng)絡自動掉線，無法重連。多臺樣機均表現(xiàn)出同樣的現(xiàn)象，于是研發(fā)展開一系列的問題定位。
二、現(xiàn)場排查
軟硬件工程師開始各自的問題定位，這里則談談硬件問題定位。
1.電源電路測試
首先先確定電源電路情況，測試PHY芯片工作時和通信異常時的供電電源的電壓，電源電壓穩(wěn)定，無跌落，電平為3.3V;其次測試紋波噪聲，測試結果也滿足要求。電源電路影響暫可以排除。
2.原理圖檢查：
然后從原理圖下手，檢查PHY芯片的外圍電路和對照處理器的引腳順序，如圖1所示，外圍電路接線無誤，設計符合設計規(guī)范。繼續(xù)檢查以太網(wǎng)的變壓器電路，如圖2所示，該電路也符合設計規(guī)范。原理圖設計基本可以排除。
圖1 PHY芯片外圍電路圖
圖2 變壓器外圍電路圖
3.樣機電路測試
時鐘信號測試：時鐘信號幅值、頻率、上升下降時間、占空比等參數(shù)均滿足要求。
時序測試：數(shù)據(jù)信號和控制信號的時序裕量均滿足手冊要求。
數(shù)據(jù)信號波形測試：在信號測試時，發(fā)現(xiàn)PHY芯片的數(shù)據(jù)信號和控制信號有異常的波形，如下圖3、4所示：
圖3 RMII_RXD信號
圖4 RMII_TXD信號
圖5 PHY芯片的IO參數(shù)信息
圖6 處理器芯片的IO參數(shù)信息
從圖3和圖4可以看出，處理器與PHY端之間的數(shù)據(jù)信號出現(xiàn)信號完整性問題-反射，均存在振鈴和過沖問題，且過沖的幅值已超出芯片可接受范圍(芯片與處理器的以太網(wǎng)IO均為3.3V供電)，可能會導致IO口永久性的損壞，且易產(chǎn)生EMI問題。
于是查看原理圖設計，發(fā)現(xiàn)信號線和控制線上均沒有串接電阻，同時PCB上單端信號線沒有做等長和50Ω的阻抗，信號傳輸過程中感受到阻抗突變，導致信號產(chǎn)生反射，繼而產(chǎn)生過沖和振鈴現(xiàn)象。
4.以太網(wǎng)差分電路
差分電路的測試主要是通過物理層一致性測試，通過一致性測試評估差分信號的信號質量。本次測試的目的是為了進一步分析差分信號的設計是否滿足要求。測試結果如下：
圖7 物理層一致性測試結果
圖8以太網(wǎng)眼圖模板測試結果
從圖7和圖8可以看出，物理層一致性測試結果為Fail，測試不通過的項主要是以太網(wǎng)眼圖模板測試、負過沖測試、邊沿對稱度測試。從圖8的測試結果可以看出，差分信號的幅值已經(jīng)超出標準值，已經(jīng)觸碰到眼圖模板。差分信號的幅值過大，可能是由于信號的反射導致。
變壓器是串聯(lián)在差分信號線上的用于隔離的器件，引腳就會產(chǎn)生寄生參數(shù)，也會產(chǎn)生阻抗突變，所以也是需要進行考慮的一個方面。于是先排除變壓器的影響，通過更換一個不同型號的變壓器，輸出的結果并沒有太大的差別。繼續(xù)著手分析傳輸線的阻抗。
PCB的阻抗又可以從兩方面進行分析。一是走線的阻抗，二是信號線上的匹配電阻。
首先從PCB走線的阻抗進行分析，以太網(wǎng)的差分信號是有差分100Ω阻抗要求，本次采用的是E5071C網(wǎng)絡分析儀進行測試，測試結果如圖9所示：
圖9 差分信號PCB走線阻抗測試結果
從圖9看出，差分信號的PCB走線阻抗最大值為109Ω，最小值為100Ω，存在這個偏差的原因是在于差分信號線上的保護器件和匹配電阻，有器件必然就會產(chǎn)生焊盤，所以導致實測值與理論值偏差10Ω也是有可能的，由于在PCB設計階段要求差分信號的走線阻抗為100Ω，走線阻抗最大允許偏差±10%，所以實測基本能滿足設計要求。差分信號的阻抗基本符合要求，繼續(xù)進行下一項分析。
其次從信號線上的匹配電阻進行分析。由于百兆以太網(wǎng)的PHY芯片到變壓器之間的差分線上有一個49.9Ω的電阻進行匹配走線，如圖10所示。同時隔離變壓器的中間抽頭具有“Bob Smith”終接，通過75Ω電阻和1000pF電容接到機殼地。然而查閱DP83848KSQ芯片的手冊，如圖11所示，提到匹配電阻有Layout要求：49.9Ω電阻和0.1uF退偶電容必須靠近PHY端放置。
圖10 DP83848KSQ芯片差分接口設計圖
圖11 DP83848KSQ芯片Layout指南
于是查看PCB布局，結果發(fā)現(xiàn)實際的布局將電阻電容放置在靠近變壓器的一側。手冊雖然沒有描述到該電阻放置錯誤會有什么影響，于是通過飛線的方法，把電阻電容放置在PHY端，再結合數(shù)據(jù)線和控制線的反射問題，在信號線的源端串聯(lián)一個33Ω的電阻，檢查無誤后，上電進行一致性測試，最終測試結果為Pass，測試結果如圖12、13所示，從圖12可以看出，整改后的眼圖模板測試比整改前的要好，各項測試數(shù)據(jù)也滿足要求。同時也進行通信穩(wěn)定性測試，最終通信測試48h后，以太網(wǎng)無掉線現(xiàn)象，同時丟包率為0%。
測試無誤后，重新進行原理圖設計，在信號線和控制線上加入串阻。PCB設計方面，數(shù)據(jù)線做單端50Ω阻抗匹配，把49.9Ω的電阻和0.1uF電容靠近PHY端放置，差分信號線做100Ω阻抗。重新拿到樣機后進行網(wǎng)絡通信，連續(xù)通信三天后無掉線現(xiàn)象，同時丟包率也滿足要求，問題解決。整改后的PCB布局及走線如圖14、15、16所示。
圖12 整改后的以太網(wǎng)眼圖波形
圖13 整改后的以太網(wǎng)一致性測試結果
5.整改后的PCB布局及走線圖
圖14 整改后PHY端數(shù)據(jù)信號走線及端接電阻布局
圖15 整改后PHY與變壓器端的PCB布局圖
圖16 整改后變壓器與RJ45端的PCB布局圖
三、設計總結
在本次以太網(wǎng)通信異常問題定位時，總結了以下幾點注意事項：
(1)PCB走線越短越好;
(2)以太網(wǎng)PHY和處理器端的數(shù)據(jù)線和控制線注意阻抗匹配，避免反射。因為信號在傳輸過程中感受到阻抗不匹配時，容易產(chǎn)生反射，同時驅動能力過大時也會容易產(chǎn)生反射。在原理圖設計時，若無法預測PCB走線長度，建議在信號線和控制線的源端串聯(lián)一個22~33Ω的小電阻，且信號線等長和做單端50Ω阻抗處理;
(3)PHY端差分信號線上的49.9Ω匹配電阻根據(jù)手冊要求放置，盡量靠近PHY端放置;
(4)差分信號線需要做差分100Ω的阻抗，同層走線，建議采用4層板PCB;
(5)變壓器需靠近RJ45端放置;
(6)“Bob Smith”終接需靠近變壓器端放置。
成熟的以太網(wǎng)電路設計看似簡單，但如何保證通信質量，硬件設計也尤為重要。一個很小的降低成本的考慮，可能問題就會在量產(chǎn)時被無限放大，最終面臨的是硬件改版、人力投入、成本增加、項目延期。在設計前期把這些問題考慮進去，就可以避免不必要的問題發(fā)生。
圖 17 工業(yè)品質的M1052跨界核心板
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