以太网通讯异常的分析与处理方案及问题定位时的注意事项
以太网频繁出现通信异常、丢包等现象，是否会想到是硬件电路设计问题？成熟的以太网电路设计看似简单，但如何保证通信质量，在通信异常时如何快速定位问题，本文将通过实际案例来讲述网络通讯异常的解析过程和处理方案。
一、案例情况
一日，核心板基于ti公司的dp83848ksq phy芯片二次开发时搭建一路百兆以太网电路，在研发测试阶段，发现以太网电路频繁出现通信异常，表现为工作一段时间后网络自动掉线，无法重连。多台样机均表现出同样的现象，于是研发展开一系列的问题定位。
二、现场排查
软硬件工程师开始各自的问题定位，这里则谈谈硬件问题定位。
1.电源电路测试
首先先确定电源电路情况，测试phy芯片工作时和通信异常时的供电电源的电压，电源电压稳定，无跌落，电平为3.3v;其次测试纹波噪声，测试结果也满足要求。电源电路影响暂可以排除。
2.原理图检查：
然后从原理图下手，检查phy芯片的外围电路和对照处理器的引脚顺序，如图1所示，外围电路接线无误，设计符合设计规范。继续检查以太网的变压器电路，如图2所示，该电路也符合设计规范。原理图设计基本可以排除。
图1 phy芯片外围电路图
图2 变压器外围电路图
3.样机电路测试
时钟信号测试：时钟信号幅值、频率、上升下降时间、占空比等参数均满足要求。
时序测试：数据信号和控制信号的时序裕量均满足手册要求。
数据信号波形测试：在信号测试时，发现phy芯片的数据信号和控制信号有异常的波形，如下图3、4所示：
图3 rmii_rxd信号
图4 rmii_txd信号
图5 phy芯片的io参数信息
图6 处理器芯片的io参数信息
从图3和图4可以看出，处理器与phy端之间的数据信号出现信号完整性问题-反射，均存在振铃和过冲问题，且过冲的幅值已超出芯片可接受范围（芯片与处理器的以太网io均为3.3v供电），可能会导致io口永久性的损坏，且易产生emi问题。
于是查看原理图设计，发现信号线和控制线上均没有串接电阻，同时pcb上单端信号线没有做等长和50ω的阻抗，信号传输过程中感受到阻抗突变，导致信号产生反射，继而产生过冲和振铃现象。
4.以太网差分电路
差分电路的测试主要是通过物理层一致性测试，通过一致性测试评估差分信号的信号质量。本次测试的目的是为了进一步分析差分信号的设计是否满足要求。测试结果如下：
图7 物理层一致性测试结果
图8以太网眼图模板测试结果
从图7和图8可以看出，物理层一致性测试结果为fail，测试不通过的项主要是以太网眼图模板测试、负过冲测试、边沿对称度测试。从图8的测试结果可以看出，差分信号的幅值已经超出标准值，已经触碰到眼图模板。差分信号的幅值过大，可能是由于信号的反射导致。
变压器是串联在差分信号线上的用于隔离的器件，引脚就会产生寄生参数，也会产生阻抗突变，所以也是需要进行考虑的一个方面。于是先排除变压器的影响，通过更换一个不同型号的变压器，输出的结果并没有太大的差别。继续着手分析传输线的阻抗。
pcb的阻抗又可以从两方面进行分析。一是走线的阻抗，二是信号线上的匹配电阻。
首先从pcb走线的阻抗进行分析，以太网的差分信号是有差分100ω阻抗要求，本次采用的是e5071c网络分析仪进行测试，测试结果如图9所示：
图9 差分信号pcb走线阻抗测试结果
从图9看出，差分信号的pcb走线阻抗最大值为109ω，最小值为100ω，存在这个偏差的原因是在于差分信号线上的保护器件和匹配电阻，有器件必然就会产生焊盘，所以导致实测值与理论值偏差10ω也是有可能的，由于在pcb设计阶段要求差分信号的走线阻抗为100ω，走线阻抗最大允许偏差±10%，所以实测基本能满足设计要求。差分信号的阻抗基本符合要求，继续进行下一项分析。
其次从信号线上的匹配电阻进行分析。由于百兆以太网的phy芯片到变压器之间的差分线上有一个49.9ω的电阻进行匹配走线，如图10所示。同时隔离变压器的中间抽头具有“bob smith”终接，通过75ω电阻和1000pf电容接到机壳地。然而查阅dp83848ksq芯片的手册，如图11所示，提到匹配电阻有layout要求：49.9ω电阻和0.1uf退偶电容必须靠近phy端放置。
图10 dp83848ksq芯片差分接口设计图
图11 dp83848ksq芯片layout指南
于是查看pcb布局，结果发现实际的布局将电阻电容放置在靠近变压器的一侧。手册虽然没有描述到该电阻放置错误会有什么影响，于是通过飞线的方法，把电阻电容放置在phy端，再结合数据线和控制线的反射问题，在信号线的源端串联一个33ω的电阻，检查无误后，上电进行一致性测试，最终测试结果为pass，测试结果如图12、13所示，从图12可以看出，整改后的眼图模板测试比整改前的要好，各项测试数据也满足要求。同时也进行通信稳定性测试，最终通信测试48h后，以太网无掉线现象，同时丢包率为0%。
测试无误后，重新进行原理图设计，在信号线和控制线上加入串阻。pcb设计方面，数据线做单端50ω阻抗匹配，把49.9ω的电阻和0.1uf电容靠近phy端放置，差分信号线做100ω阻抗。重新拿到样机后进行网络通信，连续通信三天后无掉线现象，同时丢包率也满足要求，问题解决。整改后的pcb布局及走线如图14、15、16所示。
图12 整改后的以太网眼图波形
图13 整改后的以太网一致性测试结果
5.整改后的pcb布局及走线图
图14 整改后phy端数据信号走线及端接电阻布局
图15 整改后phy与变压器端的pcb布局图
图16 整改后变压器与rj45端的pcb布局图
三、设计总结
在本次以太网通信异常问题定位时，总结了以下几点注意事项：
（1）pcb走线越短越好;
（2）以太网phy和处理器端的数据线和控制线注意阻抗匹配，避免反射。因为信号在传输过程中感受到阻抗不匹配时，容易产生反射，同时驱动能力过大时也会容易产生反射。在原理图设计时，若无法预测pcb走线长度，建议在信号线和控制线的源端串联一个22~33ω的小电阻，且信号线等长和做单端50ω阻抗处理;
（3）phy端差分信号线上的49.9ω匹配电阻根据手册要求放置，尽量靠近phy端放置;
（4）差分信号线需要做差分100ω的阻抗，同层走线，建议采用4层板pcb;
（5）变压器需靠近rj45端放置;
（6）“bob smith”终接需靠近变压器端放置。
成熟的以太网电路设计看似简单，但如何保证通信质量，硬件设计也尤为重要。一个很小的降低成本的考虑，可能问题就会在量产时被无限放大，最终面临的是硬件改版、人力投入、成本增加、项目延期。在设计前期把这些问题考虑进去，就可以避免不必要的问题发生。
图 17 工业品质的m1052跨界核心板
LED音箱制作教程
采集激光雷达如何提取照片中的角点像素
全球首个区块链技术的数字资产生态系统谷链黑科技介绍
CMOS设置错误的解决方法
太安伊侨在动力电池安全试验装备领域迅速崛起的契机与机遇
以太网通讯异常的分析与处理方案及问题定位时的注意事项
aigo数码录音笔R6811精英版：消费级定位，专业级产品
群联CES展出全球唯一最完整QLC储存方案
处理器厂来袭，芯片商力守Tx市场
关于蓝牙调光器使用说明的详细介绍
Xilinx 7系列FPGA管脚是如何定义的
宏光半导体与协鑫科技朱共山正式签定股份及认股权证认购协议
科学家研发简化动画捕捉流程无人机技术
余压监控系统应用于余压检测和控制设计的智能测控设备
国产热敏电阻及传感器厂商安培龙IPO
基于MCU通用GUI大盘点
如何通过通道总和增加 ADC 动态范围
智米洗地机器人A1—音圈电机加持的水洗地机器人
Multisim中的元器件库介绍
双基极二极管万用表如何测量
一、案例情况
一日，核心板基于ti公司的dp83848ksq phy芯片二次开发时搭建一路百兆以太网电路，在研发测试阶段，发现以太网电路频繁出现通信异常，表现为工作一段时间后网络自动掉线，无法重连。多台样机均表现出同样的现象，于是研发展开一系列的问题定位。
二、现场排查
软硬件工程师开始各自的问题定位，这里则谈谈硬件问题定位。
1.电源电路测试
首先先确定电源电路情况，测试phy芯片工作时和通信异常时的供电电源的电压，电源电压稳定，无跌落，电平为3.3v;其次测试纹波噪声，测试结果也满足要求。电源电路影响暂可以排除。
2.原理图检查：
然后从原理图下手，检查phy芯片的外围电路和对照处理器的引脚顺序，如图1所示，外围电路接线无误，设计符合设计规范。继续检查以太网的变压器电路，如图2所示，该电路也符合设计规范。原理图设计基本可以排除。
图1 phy芯片外围电路图
图2 变压器外围电路图
3.样机电路测试
时钟信号测试：时钟信号幅值、频率、上升下降时间、占空比等参数均满足要求。
时序测试：数据信号和控制信号的时序裕量均满足手册要求。
数据信号波形测试：在信号测试时，发现phy芯片的数据信号和控制信号有异常的波形，如下图3、4所示：
图3 rmii_rxd信号
图4 rmii_txd信号
图5 phy芯片的io参数信息
图6 处理器芯片的io参数信息
从图3和图4可以看出，处理器与phy端之间的数据信号出现信号完整性问题-反射，均存在振铃和过冲问题，且过冲的幅值已超出芯片可接受范围（芯片与处理器的以太网io均为3.3v供电），可能会导致io口永久性的损坏，且易产生emi问题。
于是查看原理图设计，发现信号线和控制线上均没有串接电阻，同时pcb上单端信号线没有做等长和50ω的阻抗，信号传输过程中感受到阻抗突变，导致信号产生反射，继而产生过冲和振铃现象。
4.以太网差分电路
差分电路的测试主要是通过物理层一致性测试，通过一致性测试评估差分信号的信号质量。本次测试的目的是为了进一步分析差分信号的设计是否满足要求。测试结果如下：
图7 物理层一致性测试结果
图8以太网眼图模板测试结果
从图7和图8可以看出，物理层一致性测试结果为fail，测试不通过的项主要是以太网眼图模板测试、负过冲测试、边沿对称度测试。从图8的测试结果可以看出，差分信号的幅值已经超出标准值，已经触碰到眼图模板。差分信号的幅值过大，可能是由于信号的反射导致。
变压器是串联在差分信号线上的用于隔离的器件，引脚就会产生寄生参数，也会产生阻抗突变，所以也是需要进行考虑的一个方面。于是先排除变压器的影响，通过更换一个不同型号的变压器，输出的结果并没有太大的差别。继续着手分析传输线的阻抗。
pcb的阻抗又可以从两方面进行分析。一是走线的阻抗，二是信号线上的匹配电阻。
首先从pcb走线的阻抗进行分析，以太网的差分信号是有差分100ω阻抗要求，本次采用的是e5071c网络分析仪进行测试，测试结果如图9所示：
图9 差分信号pcb走线阻抗测试结果
从图9看出，差分信号的pcb走线阻抗最大值为109ω，最小值为100ω，存在这个偏差的原因是在于差分信号线上的保护器件和匹配电阻，有器件必然就会产生焊盘，所以导致实测值与理论值偏差10ω也是有可能的，由于在pcb设计阶段要求差分信号的走线阻抗为100ω，走线阻抗最大允许偏差±10%，所以实测基本能满足设计要求。差分信号的阻抗基本符合要求，继续进行下一项分析。
其次从信号线上的匹配电阻进行分析。由于百兆以太网的phy芯片到变压器之间的差分线上有一个49.9ω的电阻进行匹配走线，如图10所示。同时隔离变压器的中间抽头具有“bob smith”终接，通过75ω电阻和1000pf电容接到机壳地。然而查阅dp83848ksq芯片的手册，如图11所示，提到匹配电阻有layout要求：49.9ω电阻和0.1uf退偶电容必须靠近phy端放置。
图10 dp83848ksq芯片差分接口设计图
图11 dp83848ksq芯片layout指南
于是查看pcb布局，结果发现实际的布局将电阻电容放置在靠近变压器的一侧。手册虽然没有描述到该电阻放置错误会有什么影响，于是通过飞线的方法，把电阻电容放置在phy端，再结合数据线和控制线的反射问题，在信号线的源端串联一个33ω的电阻，检查无误后，上电进行一致性测试，最终测试结果为pass，测试结果如图12、13所示，从图12可以看出，整改后的眼图模板测试比整改前的要好，各项测试数据也满足要求。同时也进行通信稳定性测试，最终通信测试48h后，以太网无掉线现象，同时丢包率为0%。
测试无误后，重新进行原理图设计，在信号线和控制线上加入串阻。pcb设计方面，数据线做单端50ω阻抗匹配，把49.9ω的电阻和0.1uf电容靠近phy端放置，差分信号线做100ω阻抗。重新拿到样机后进行网络通信，连续通信三天后无掉线现象，同时丢包率也满足要求，问题解决。整改后的pcb布局及走线如图14、15、16所示。
图12 整改后的以太网眼图波形
图13 整改后的以太网一致性测试结果
5.整改后的pcb布局及走线图
图14 整改后phy端数据信号走线及端接电阻布局
图15 整改后phy与变压器端的pcb布局图
图16 整改后变压器与rj45端的pcb布局图
三、设计总结
在本次以太网通信异常问题定位时，总结了以下几点注意事项：
（1）pcb走线越短越好;
（2）以太网phy和处理器端的数据线和控制线注意阻抗匹配，避免反射。因为信号在传输过程中感受到阻抗不匹配时，容易产生反射，同时驱动能力过大时也会容易产生反射。在原理图设计时，若无法预测pcb走线长度，建议在信号线和控制线的源端串联一个22~33ω的小电阻，且信号线等长和做单端50ω阻抗处理;
（3）phy端差分信号线上的49.9ω匹配电阻根据手册要求放置，尽量靠近phy端放置;
（4）差分信号线需要做差分100ω的阻抗，同层走线，建议采用4层板pcb;
（5）变压器需靠近rj45端放置;
（6）“bob smith”终接需靠近变压器端放置。
成熟的以太网电路设计看似简单，但如何保证通信质量，硬件设计也尤为重要。一个很小的降低成本的考虑，可能问题就会在量产时被无限放大，最终面临的是硬件改版、人力投入、成本增加、项目延期。在设计前期把这些问题考虑进去，就可以避免不必要的问题发生。
图 17 工业品质的m1052跨界核心板
LED音箱制作教程
采集激光雷达如何提取照片中的角点像素
全球首个区块链技术的数字资产生态系统谷链黑科技介绍
CMOS设置错误的解决方法
太安伊侨在动力电池安全试验装备领域迅速崛起的契机与机遇
以太网通讯异常的分析与处理方案及问题定位时的注意事项
aigo数码录音笔R6811精英版：消费级定位，专业级产品
群联CES展出全球唯一最完整QLC储存方案
处理器厂来袭，芯片商力守Tx市场
关于蓝牙调光器使用说明的详细介绍
Xilinx 7系列FPGA管脚是如何定义的
宏光半导体与协鑫科技朱共山正式签定股份及认股权证认购协议
科学家研发简化动画捕捉流程无人机技术
余压监控系统应用于余压检测和控制设计的智能测控设备
国产热敏电阻及传感器厂商安培龙IPO
基于MCU通用GUI大盘点
如何通过通道总和增加 ADC 动态范围
智米洗地机器人A1—音圈电机加持的水洗地机器人
Multisim中的元器件库介绍
双基极二极管万用表如何测量