基于OA的10BASE-T1S_PMA测试实践

PMA 电气一致性测试

 

10BASE-T1S PHY 进入部件和 ECU 应用前，除了能够建立链路和收发报文，还需要验证物理介质相关子层（PMA）的电气性能是否满足统一要求。OPEN Alliance 发布的 10BASE-T1S PMA Compliance Test Specification v1.0，将发射、接收及多点总线高阻抗要求转化为可重复的测试项目，是行业开展 PHY 电气一致性验证的主要依据。

 

在半双工多点网络中，PHY 输出特性、板级端接、耦合与保护器件、连接器及线束共同影响信号质量。任何环节的偏差都可能压缩系统余量，并在多节点或最坏信道条件下表现为通信不稳定和跨供应商互操作问题。

 

北汇信息依据 OA PMA Compliance v1.0 建立了 10BASE-T1S PMA 电气一致性测试解决方案，并已在多个国内 10BASE-T1S 项目中开展测试实践。本文结合实测波形和量化数据，介绍主要测试项目的目的、代表性结果与工程关注点。

 

 

01

PMA 测试范围

 

 

OA 将 10BASE-T1S PMA 验证组织为三类：发射机电气特性、接收机受损信号能力，以及多点节点释放总线后的 MDI 阻抗。不同测试项目需要不同的线路状态，不能用同一组波形或同一个 Test Mode 代替。

 

OA 测试项目	线路状态	测试目的
Transmitter Output Voltage	Test Mode 1	验证差分输出电压幅度及波形是否满足规定掩模
Transmitter Output Droop	Test Mode 2	验证正、负长平顶的电压保持能力
Transmitter Timing Jitter	Test Mode 3	观察累计时间误差及其分布
Transmitter Power Spectral Density	Test Mode 3	验证发射能量的频域分布
Rise and Fall Time for Transmitter	Test Mode 3	验证边沿速度及离散性
Transmitter High Impedance Mode	Test Mode 4	确认静默节点不会过度加载多点总线
Receiver differential input signals (Bit Error Rate Verification)	正常接收 Test Mode 3 用于校准	验证最坏信道和噪声下的接收稳健性

02

 

测试环境、参考平面与 Test Mode

 

Test Mode 1/2/3：发射机电气测量

 

 

图 1 OA Group 1 发射机电气测量连接示意

 

 

在 OA multidrop 条件下，发射机电气测试按规定的 50 Ω 差分负载执行。采用高阻差分探头或双通道合成差分时，都必须把 DUT 板上端接、夹具电阻和仪器输入阻抗纳入实际负载核算。

 

测试要点

 

• 核对 BI_DA+、BI_DA- 极性、衰减比和差分方向；两条采集路径先完成增益校正与 deskew，避免把测量链路时延误认为 DUT 抖动或边沿异常；
• 确认 DUT 板上端接、夹具电阻和仪器输入阻抗共同形成 OA 规定的实际差分负载；
• 不同用例按照 OA 规定的拓扑和参考平面执行，不能依据现场节点数量自行替换负载条件。

 

Test Mode 4：高阻抗测量

图 2 Transmitter High Impedance Mode 的差分阻抗连接

 

 

高阻抗测试评估静默节点对总线的并联加载。参考平面应位于 DUT MDI，测试路径不得残留总线端接，并在解释结果前明确 CMC、耦合电容、ESD 器件和连接器是否属于被测范围。

 

Test Mode 介绍

 

Test Mode 通过 PHY 管理接口或等效控制方式建立稳定、可重复的线路状态。IEEE 802.3 Clause 45 的 Test mode control register 通过 1.2299[15:13] 选择模式，OA PMA Compliance v1.0 则将相应线路状态用于下列一致性测试项目。

 

模式/状态	1.2299[15:13]	线路行为	对应 OA 测试项目
正常收发	000	退出 Test Mode，正常接收以太网帧	Receiver differential input signals (Bit Error Rate Verification)
Test Mode 1	001	连续发送 DME 编码“1”	Transmitter Output Voltage
Test Mode 2	010	正、负长平顶差分电平循环	Transmitter Output Droop
Test Mode 3	011	连续发送伪随机 DME 图样	Transmitter Timing Jitter Transmitter Power Spectral Density Rise and Fall Time for Transmitter 接收机受损信号校准
Test Mode 4	100	multidrop 条件下发射机呈高阻抗	Transmitter High Impedance Mode
工程判断进入 Test Mode 后，除标准规定的发射码型或工作状态外，DUT 的供电、端接、发射驱动链路和时钟条件应与正常工作配置一致，确保测量结果能够反映 DUT 的实际电气性能。

03

 

发射机幅度与低频保持

 

Transmitter Output Voltage

 

该测试检查规定差分负载下的输出摆幅，并通过电压掩模验证重复波形、交叉区和边沿是否满足规定要求。

 

代表性结果

 

实测对 1 ms 连续采集窗口内的 Test Mode 1 周期进行叠加，Transmitter Output Voltage 为 0 次掩模违规；连续时间序列同时用于排查瞬态中断和幅度漂移。

 

 

图 3 Transmitter Output Voltage 的电压掩模结果

 

Transmitter Output Droop

 

测试目的

 

Test Mode 2 形成正、负长平顶电平，用于观察驱动能力、AC 耦合和低频响应引起的电压变化；正负方向必须分别评估。

 

代表性结果

 

10 ms 采集被划分为十个 1 ms 统计窗口，正、负脉冲分别以峰值及其后 800 ns 的电平计算 Droop。实测正向最大 Droop 为 8.12%～8.60%，负向最大 Droop 为 7.79%～8.26%，二十个结果均低于 30.0% 限值。

 

统计对象	实测范围	OA 判定边界
正向最大 Droop	8.12%～8.60%	每个结果 < 30.0%
负向最大 Droop	7.79%～8.26%	每个结果 < 30.0%
观察窗口	10 × 1 ms	正、负方向分别评估

代表性波形中的初始峰值与延迟位置电平共同反映 Droop，平台趋势还能帮助区分初始过冲、低频衰减和电源缓慢变化。

 

图 4 Transmitter Output Droop 的代表性正向平顶波形

 

测试要点

 

• 正负方向使用一致的参考极性与时间关系；出现幅度偏差或平台倾斜时，应优先复核实际负载、板上端接、AC 耦合网络及电源状态。

 

04

Test Mode 3 的三项发射机测量

 

测试目的

 

Test Mode 3 的伪随机 DME 图样同时用于三项测量：TIE 描述大量边沿的时间误差分布，PSD 检查发射能量及谐波分布，上升/下降时间反映边沿速度与离散性。三者联合观察可区分时钟、带宽、滤波和板级网络影响。

 

代表性实测结果

测量项目	实测结果	OA 判定边界
20%～80% 上升时间	11.505～13.045 ns	7.5 ns < t < 15.0 ns
20%～80% 下降时间	11.493～13.091 ns	7.5 ns < t < 15.0 ns
Peak-to-Peak TIE Jitter	209.065 ps	< 2.5 ns
Power Spectral Density	0 次掩模违规	不进入 PSD 掩模禁区

本组数据来自 20 ms 连续采集，PSD 分辨率带宽为 100 kHz。TIE 保留峰峰值与分布尾部，PSD 呈现低频主能量和后续谐波，并与边沿时间共同形成可追溯证据。

 

图 5 Test Mode 3 的 TIE 直方图与功率谱密度曲线

测试要点

• 三项测试虽共用 Test Mode 3，但采集窗口、数据处理和判定边界不同；
• TIE 关注峰峰范围与尾部，PSD 按规定拓扑选择掩模，边沿结果保留最大值和最小值；多项关联异常比单项异常更有助于定位根因。

 

05

 

总线加载与接收稳健性

 

Transmitter High Impedance Mode

 

多点网段中的静默节点仍并联在总线上。该项目检查正常供电、低功耗和掉电状态下的差分阻抗，避免节点累积加载压缩总线余量。

 

高阻抗曲线对参考平面、残留端接和电源状态敏感。某一频段出现阻抗下降时，应先排除校准与连接路径影响，再分析 DUT 寄生电容、保护器件和状态控制。

 

• 参考平面位于 DUT MDI，校准后保持端口线缆和适配器不变；清除测试路径中的总线端接，明确耦合与保护器件边界，并分别记录各电源状态下的阻抗曲线。

 

Receiver differential input signals

图 6 最坏情况信道、噪声注入与 DUT 的接收机验证拓扑

 

 

该项目验证最坏情况信道叠加规定噪声后，DUT 能否稳定恢复真实以太网帧。Test Mode 3 仅用于建立和校准受损信号，正式验证时 DUT 必须退出 Test Mode 并正常接收以太网帧。

 

测试分为受损信号校准和 DUT 真实接收两个阶段。校准完成后仅替换接收端并切换 DUT 工作状态，信道、噪声和连接条件保持不变。

 

• OA 接收边界为 BER < 10⁻¹⁰，或对 125 octet 帧采用帧丢失率 < 10⁻⁷；使用 1518-byte 报文评价 BER 时，统计量约为 2,470,000 个报文，不能用短时无丢包代替长期结论；
• 帧长、发送速率、计数位置和错误判定规则应预先固定，并记录发送量、接收量、错误数、丢帧数和持续时间。

 

06

 

总结

 

PMA 测试把输出幅度、低频保持、边沿速度、时间离散、能量分布、静默节点加载和最坏信道接收能力转化为可复核的数据。工程实践中，测试价值不仅体现在单项判定，更体现在对负载、端接、参考平面、通道时延、电源状态和板级寄生的系统分析，从而区分测量链路影响与 DUT 本身问题，并为设计优化和集成决策提供依据。

 

工程判断顺序先确认 OA 拓扑、负载和 DUT 端接，再核对 Test Mode 与电源状态；示波器项目检查极性、衰减比和 deskew，高阻抗项目检查校准平面与被测路径；最后关联电压、下垂、TIE、PSD、边沿和阻抗特征定位根因。

北汇信息 10BASE-T1S 相关业务

 

• 10BASE-T1S Test House 测试服务：承接 ECU、板卡或 PHY 的委托测试，提供测试执行、数据记录、结果分析、问题定位、整改复测及报告交付；
• 10BASE-T1S 测试系统与 HIL 集成：围绕 PMA、PLCA 和 IOP 测试，提供 DUT 控制、接口适配、测试拓扑构建、仪器与测试设备集成、自动化执行及报告输出，可作为专用测试系统交付或集成到 HIL 平台。
• 10BASE-T1S 及 RCP 设计与测试咨询：提供协议培训、需求规范梳理、设计方案评审、测试规范开发，并结合测试数据支持设计优化与疑难问题定位。

 

北汇信息长期专注于汽车电子领域的新技术研究与新产品测试验证，已参与多个国内10BASE-T1S项目，形成了覆盖PMA电气一致性、PLCA协议一致性和IOP互操作测试的工程能力，并积累了Test House委托测试、专用测试系统搭建及HIL集成经验。