以太網(wǎng)頻繁出現(xiàn)通信異常、丟包等現(xiàn)象，是否會(huì)想到是硬件電路設(shè)計(jì)問(wèn)題？成熟的以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單，但如何保證通信質(zhì)量，在通信異常時(shí)如何快速定位問(wèn)題，本文將通過(guò)實(shí)際案例來(lái)講述網(wǎng)絡(luò)通訊異常的解析過(guò)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(shí)搭建一路百兆以太網(wǎng)電路，在研發(fā)測(cè)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(shí)間后網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)掉線，無(wú)法重連。多臺(tái)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(wèn)題定位。
二、現(xiàn)場(chǎng)排查
軟硬件工程師開始各自的問(wèn)題定位，這里則談?wù)動(dòng)布?wèn)題定位。
1.電源電路測(cè)試
首先先確定電源電路情況，測(cè)試PHY芯片工作時(shí)和通信異常時(shí)的供電電源的電壓，電源電壓穩(wěn)定，無(wú)跌落，電平為3.3V；其次測(cè)試紋波噪聲，測(cè)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(duì)照處理器的引腳順序，如圖1所示，外圍電路接線無(wú)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(cè)試
時(shí)鐘信號(hào)測(cè)試：時(shí)鐘信號(hào)幅值、頻率、上升下降時(shí)間、占空比等參數(shù)均滿足要求。
時(shí)序測(cè)試：數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的時(shí)序裕量均滿足手冊(cè)要求。
數(shù)據(jù)信號(hào)波形測(cè)試：在信號(hào)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)PHY芯片的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)有異常的波形，如下圖3、4所示：
圖3 RMII_RXD信號(hào)
圖4 RMII_TXD信號(hào)
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(hào)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題-反射，均存在振鈴和過(guò)沖問(wèn)題，且過(guò)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(huì)導(dǎo)致IO口永久性的損壞，且易產(chǎn)生EMI問(wèn)題。
于是查看原理圖設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)線和控制線上均沒有串接電阻，同時(shí)PCB上單端信號(hào)線沒有做等長(zhǎng)和50Ω的阻抗，信號(hào)傳輸過(guò)程中感受到阻抗突變，導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生反射，繼而產(chǎn)生過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象。
4.以太網(wǎng)差分電路
差分電路的測(cè)試主要是通過(guò)物理層一致性測(cè)試，通過(guò)一致性測(cè)試評(píng)估差分信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量。本次測(cè)試的目的是為了進(jìn)一步分析差分信號(hào)的設(shè)計(jì)是否滿足要求。測(cè)試結(jié)果如下：
圖7 物理層一致性測(cè)試結(jié)果
圖8以太網(wǎng)眼圖模板測(cè)試結(jié)果
從圖7和圖8可以看出，物理層一致性測(cè)試結(jié)果為Fail，測(cè)試不通過(guò)的項(xiàng)主要是以太網(wǎng)眼圖模板測(cè)試、負(fù)過(guò)沖測(cè)試、邊沿對(duì)稱度測(cè)試。從圖8的測(cè)試結(jié)果可以看出，差分信號(hào)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(hào)的幅值過(guò)大，可能是由于信號(hào)的反射導(dǎo)致。
變壓器是串聯(lián)在差分信號(hào)線上的用于隔離的器件，引腳就會(huì)產(chǎn)生寄生參數(shù)，也會(huì)產(chǎn)生阻抗突變，所以也是需要進(jìn)行考慮的一個(gè)方面。于是先排除變壓器的影響，通過(guò)更換一個(gè)不同型號(hào)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(hào)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(hào)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(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示：
圖9 差分信號(hào)PCB走線阻抗測(cè)試結(jié)果
從圖9看出，差分信號(hào)的PCB走線阻抗最大值為109Ω，最小值為100Ω，存在這個(gè)偏差的原因是在于差分信號(hào)線上的保護(hù)器件和匹配電阻，有器件必然就會(huì)產(chǎn)生焊盤，所以導(dǎo)致實(shí)測(cè)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(hào)的走線阻抗為100Ω，走線阻抗最大允許偏差±10%，所以實(shí)測(cè)基本能滿足設(shè)計(jì)要求。差分信號(hào)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(hào)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(gè)49.9Ω的電阻進(jìn)行匹配走線，如圖10所示。同時(shí)隔離變壓器的中間抽頭具有“Bob Smith”終接，通過(guò)75Ω電阻和1000pF電容接到機(jī)殼地。然而查閱DP83848KSQ芯片的手冊(cè)，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(cè)雖然沒有描述到該電阻放置錯(cuò)誤會(huì)有什么影響，于是通過(guò)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(wèn)題，在信號(hào)線的源端串聯(lián)一個(gè)33Ω的電阻，檢查無(wú)誤后，上電進(jìn)行一致性測(cè)試，最終測(cè)試結(jié)果為Pass，測(cè)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(cè)試比整改前的要好，各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)也滿足要求。同時(shí)也進(jìn)行通信穩(wěn)定性測(cè)試，最終通信測(cè)試48h后，以太網(wǎng)無(wú)掉線現(xiàn)象，同時(shí)丟包率為0%。
測(cè)試無(wú)誤后，重新進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，在信號(hào)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(hào)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(wú)掉線現(xiàn)象，同時(shí)丟包率也滿足要求，問(wèn)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(cè)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(hào)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(wèn)題定位時(shí)，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?hào)在傳輸過(guò)程中感受到阻抗不匹配時(shí)，容易產(chǎn)生反射，同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力過(guò)大時(shí)也會(huì)容易產(chǎn)生反射。在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，若無(wú)法預(yù)測(cè)PCB走線長(zhǎng)度，建議在信號(hào)線和控制線的源端串聯(lián)一個(gè)22~33Ω的小電阻，且信號(hào)線等長(zhǎng)和做單端50Ω阻抗處理；
?。?）PHY端差分信號(hào)線上的49.9Ω匹配電阻根據(jù)手冊(cè)要求放置，盡量靠近PHY端放置；
（4）差分信號(hào)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(jiǎn)單，但如何保證通信質(zhì)量，硬件設(shè)計(jì)也尤為重要。一個(gè)很小的降低成本的考慮，可能問(wèn)題就會(huì)在量產(chǎn)時(shí)被無(wú)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(wèn)題考慮進(jìn)去，就可以避免不必要的問(wèn)題發(fā)生。
圖 17 工業(yè)品質(zhì)的M1052跨界核心板