如何解決乙太網故障？

最新 07-19

本文導讀

乙太網頻繁出現通信異常、丟包等現象，是否會想到是硬體電路設計問題？成熟的乙太網電路設計看似簡單，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路通訊異常的解析過程和處理方案。

一、案例情況

一日，核心板基於TI公司的DP83848KSQ PHY晶元二次開發時搭建一路百兆乙太網電路，在研發測試階段，發現乙太網電路頻繁出現通信異常，表現為工作一段時間後網路自動掉線，無法重連。多台樣機均表現出同樣的現象，於是研發展開一系列的問題定位。

二、現場排查

軟硬體工程師開始各自的問題定位，本文則談談硬體問題定位。

1、電源電路測試

首先先確定電源電路情況，測試PHY晶元工作時和通信異常時的供電電源的電壓，電源電壓穩定，無跌落，電平為3.3V；其次測試紋波雜訊，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

然後從原理圖下手，檢查PHY晶元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，設計符合設計規範。繼續檢查乙太網的變壓器電路，如圖2所示，該電路也符合設計規範。原理圖設計基本可以排除。

圖1 PHY晶元外圍電路圖

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、占空比等參數均滿足要求。

時序測試：數據信號和控制信號的時序裕量均滿足手冊要求。

數據信號波形測試：在信號測試時，發現PHY晶元的數據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晶元的IO參數信息

圖6 處理器晶元的IO參數信息

從圖3和圖4可以看出，處理器與PHY端之間的數據信號出現信號完整性問題-反射，均存在振鈴和過沖問題，且過沖的幅值已超出晶元可接受範圍（晶元與處理器的乙太網IO均為3.3V供電），可能會導致IO口永久性的損壞，且易產生EMI問題。

於是查看原理圖設計，發現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，導致信號產生反射，繼而產生過沖和振鈴現象。

4、乙太網差分電路

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 乙太網眼圖模板測試結果

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乙太網眼圖模板測試、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超出標準值，已經觸碰到眼圖模板。差分信號的幅值過大，可能是由於信號的反射導致。

變壓器是串聯在差分信號線上的用於隔離的器件，引腳就會產生寄生參數，也會產生阻抗突變，所以也是需要進行考慮的一個方面。於是先排除變壓器的影響，通過更換一個不同型號的變壓器，輸出的結果並沒有太大的差別。繼續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，乙太網的差分信號是有差分100Ω阻抗要求，本次採用的是E5071C網路分析儀進行測試，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於差分信號線上的保護器件和匹配電阻，有器件必然就會產生焊盤，所以導致實測值與理論值偏差10Ω也是有可能的，由於在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，繼續進行下一項分析。

其次從信號線上的匹配電阻進行分析。由於百兆乙太網的PHY晶元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晶元的手冊，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晶元差分介面設計圖

圖11 DP83848KSQ晶元Layout指南

於是查看PCB布局，結果發現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麼影響，於是通過飛線的方法，把電阻電容放置在PHY端，再結合數據線和控制線的反射問題，在信號線的源端串聯一個33Ω的電阻，檢查無誤後，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，整改後的眼圖模板測試比整改前的要好，各項測試數據也滿足要求。同時也進行通信穩定性測試，最終通信測試48h後，乙太網無掉線現象，同時丟包率為0%。

測試無誤後，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，數據線做單端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。重新拿到樣機後進行網路通信，連續通信三天後無掉線現象，同時丟包率也滿足要求，問題解決。整改後的PCB布局及走線如圖14、15、16所示。