保證以太網(wǎng)通信質(zhì)量，先從硬件設(shè)計(jì)入手！

本文導(dǎo)讀

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(shè)計(jì)問題？成熟的以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)看似簡單，但如何保證通信質(zhì)量，在通信異常時如何快速定位問題，本文將通過實(shí)際案例來講述網(wǎng)絡(luò)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(luò)自動掉線，無法重連。多臺樣機(jī)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，本文則談?wù)動布栴}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(jié)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(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范。原理圖設(shè)計(jì)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(jī)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(dǎo)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(shè)計(jì)，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(dǎo)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(zhì)量。本次測試的目的是為了進(jìn)一步分析差分信號的設(shè)計(jì)是否滿足要求。測試結(jié)果如下：

圖7 物理層一致性測試結(jié)果

圖8 以太網(wǎng)眼圖模板測試結(jié)果

從圖7和圖8可以看出，物理層一致性測試結(jié)果為Fail，測試不通過的項(xiàng)主要是以太網(wǎng)眼圖模板測試、負(fù)過沖測試、邊沿對稱度測試。從圖8的測試結(jié)果可以看出，差分信號的幅值已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(jìn)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(jié)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(jìn)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(jìn)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(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖9所示：

圖9 差分信號PCB走線阻抗測試結(jié)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(hù)器件和匹配電阻，有器件必然就會產(chǎn)生焊盤，所以導(dǎo)致實(shí)測值與理論值偏差10Ω也是有可能的，由于在PCB設(shè)計(jì)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(shí)測基本能滿足設(shè)計(jì)要求。差分信號的阻抗基本符合要求，繼續(xù)進(jìn)行下一項(xiàng)分析。

其次從信號線上的匹配電阻進(jìn)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(jìn)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(jī)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(shè)計(jì)圖

圖11 DP83848KSQ芯片Layout指南

于是查看PCB布局，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)際的布局將電阻電容放置在靠近變壓器的一側(cè)。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(jié)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(jìn)行一致性測試，最終測試結(jié)果為Pass，測試結(jié)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(xiàng)測試數(shù)據(jù)也滿足要求。同時也進(jìn)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(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，在信號線和控制線上加入串阻。PCB設(shè)計(jì)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(jī)后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(shè)計(jì)總結(jié)

在本次以太網(wǎng)通信異常問題定位時，總結(jié)了以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

• PCB走線越短越好；

• 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?yàn)樾盘栐趥鬏斶^程中感受到阻抗不匹配時，容易產(chǎn)生反射，同時驅(qū)動能力過大時也會容易產(chǎn)生反射。在原理圖設(shè)計(jì)時，若無法預(yù)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；

• 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；

• 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；

• 變壓器需靠近RJ45端放置；

• “Bob Smith”終接需靠近變壓器端放置。

成熟的以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)看似簡單，但如何保證通信質(zhì)量，硬件設(shè)計(jì)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(xiàng)目延期。在設(shè)計(jì)前期把這些問題考慮進(jìn)去，就可以避免不必要的問題發(fā)生。

圖17 工業(yè)品質(zhì)的M1052跨界核心板