實時工業以太網EtherCAT時序特性分析系統

郇 極 劉 喆 靳 陽 胡 星

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

實時工業以太網技術是以太網技術在自動控制領域的延伸和發展，是工業控制自動化領域的一個重要發展方向［1］.它具有采用標準以太網器件，基于串行轉發技術，大部分使用集總幀結構等特點，典型協議包括 EtherCAT，Profinet和 SERCOS III等［2］.針對此類協議的研究主要集中于系統功能實現以及時序特性分析等方面［3］.

實時工業以太網的時序特性包括通信鏈路和器件的延遲、周期和抖動等，針對各類協議時序特性的研究比較豐富，主要的研究方法和內容是特性參數的模型建立和圖形化結果的定性分析［4］.但是，數據捕獲方法以及分析統計算法很少被涉及，一般解析過程需要調用多種軟件，其中包括Wireshark等報文分析工具和Matlab等建模、畫圖工具，因此軟硬件的集成度也不高.

德國Hilscher公司提出一種實時以太網網絡延遲和時間抖動分析系統netANALYZER［5］，該系統功能豐富，但是數據捕獲硬件需要使用 ExpressCard或PCI接口與監聽計算機連接，組配能力受到局限，而且數據幀信息沒有被完全保存，離線分析能力較弱.

本文提出一種軟硬件集成的時序特性分析系統，該系統可以在線捕捉及離線分析被監聽鏈路上的數據幀，并最終以圖形化方式顯示相應鏈路和器件的時序特性分析結果.

1 系統整體架構

系統整體架構如圖1所示.其中硬件部分包括數據偵聽器和監聽計算機;軟件部分是安裝在監聽計算機上的時序分析儀.

圖1 系統架構

數據偵聽器是安裝在工業以太網網絡中的硬件單元，它的功能是捕捉被監聽鏈路上的原始數據幀(圖中所示OF)，提取數據幀信息包括時間戳、長度、是否出錯等，封裝這些信息生成一個Probe幀(圖中所示PF)，最后發送原始數據幀和Probe幀至監聽計算機.Probe幀是本文提出的一種專門用于實時工業以太網時序、功能分析的以太網數據幀.

監聽計算機是一臺配置有千兆以太網口的普通計算機.監聽計算機上安裝的時序分析儀軟件會自動捕捉數據偵聽器發送過來的原始數據幀和Probe幀，解析Probe幀中封裝的信息，根據用戶的設置對數據進行篩選、運算和統計，最后顯示圖形化的分析結果.

2 以太網數據偵聽器

2.1 總體結構

數據偵聽器［6］是本文提出的實時工業以太網時序特性分析系統的重要硬件組成單元.如圖1所示，數據偵聽器主要由現場可編程門陣列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)和5個標準以太網接口組成.FPGA是偵聽器的核心，實現數據幀轉發、Probe幀生成等邏輯控制功能，采用Altera公司EP3C25系列芯片;Port 0～3是4個百兆以太網接口，分別與需要被分析的網絡器件端口用網線相連，采用LXT973系列10/100M雙端口以太網PHY芯片;PortM是千兆以太網接口，與監聽計算機相連，采用88E1111千兆以太網PHY芯片.

2.2 FPGA內核設計

FPGA是數據偵聽器的核心，其內部模塊設計如圖2所示.

圖2 FPGA內部模塊設計

圖3 輸入端口模塊功能示意圖

內部TAP模塊實現原始數據幀的分路轉發功能.輸入端口模塊的功能如圖3所示，它主要完成數據幀(圖中所示OF)的信息提取和Probe幀(圖中所示PF)的生成功能.校驗子模塊完成原始數據幀接收、信息提取和錯誤校驗等功能;Probe幀生成子模塊封裝原始數據幀的各種信息包括端口號、時間戳、長度、是否出錯等，并生成一個對應的Probe幀;兩種數據幀都暫時存放在buffer子模塊中，等待下一步處理.

數據緩存模塊依次讀取各個輸入單口模塊buffer中的數據，并寫入內部緩存中.輸出端口模塊負責將內部緩存中的數據通過端口PortM發送給監聽計算機.控制單元模塊控制其他各個模塊，其內部時間戳子模塊負責提供一個穩定的分辨率為10 ns的時間戳基準.

2.3 Probe幀結構、功能

Probe幀是本文提出的一種數據幀，是數據偵聽器和時序分析儀進行數據交換的載體，其結構如圖4所示.Probe幀采用802.3標準MAC幀格式，目的地址和源地址字段值均為6 Byte的0xFF(廣播地址)，EtherType字段值為0x0923.MAC數據包括Probe首部和填充兩個字段.填充字段內的數據為30 Byte的0，該字段的功能是使整個幀長度達到以太網最短幀長度64 Byte.

圖4 Probe幀結構

Probe首部字段的長度為16 Byte，其子字段含義如表1所示.該字段封裝了偵聽器端口以及原始數據幀的各種信息，其中最重要的是時間戳.數據偵聽器在捕捉到原始數據幀的幀起始標記(SFD，Start of Frame Delimiter)時，會在相應的Probe幀中嵌入一個以10 ns為單位的時間戳，該時間戳即為本系統中時序分析儀的主要操作對象.

表1 Probe首部子字段含義

Probe幀和原始數據幀一同被發送到主站并被捕獲、保存，因此在沒有改變原始數據幀的前提下，盡可能多的保留了原始幀的信息，使得精準的離線分析成為可能.

3 時序分析儀

3.1 軟件功能

時序分析儀是安裝在監聽計算機上的工具軟件，分析數據偵聽器發送過來的Probe幀，根據用戶的設置進行數值計算和統計，最終顯示圖形化的解析結果，從而對工作器件性能或通信鏈路質量進行評價.

時序分析儀的功能模塊如圖5所示.數據捕捉模塊捕獲監聽計算機千兆以太網接口接收到的數據幀并保存成Pcap格式文件;文件讀取模塊加載Pcap文件后調用延遲分析和周期分析等模塊生成預處理數據;通過調用過濾設置模塊用戶可以定義分析數據幀的范圍;接著統計分析模塊對預處理數據進行統計運算;最后圖形化顯示模塊顯示分析結果.

圖5 時序分析儀功能圖

3.2 分析方法原理和算法

時序分析儀的主要對象是延遲時間和周期時間，進行統計計算后獲得這兩種時序特性參數的統計值和抖動特性.

3.2.1 延遲時間分析方法

延遲的測量需要使用數據偵聽器的兩個端口，算法涉及的兩類數據幀定義如下:時序在前的稱為“前幀”(fore)，時序在后的稱為“后幀”(back)，二者的時間差ΔTdelay即為所測的延遲時間.圖6所示為此分析方法的兩種應用.

圖6 延遲分析方法示意圖

圖6a所示前幀、后幀分別從器件左端口輸入、右端口輸出，時間差ΔTdelay即為該方向上的以太網數據流在器件內的延遲時間;圖6b所示前幀、后幀分從器件的右端口輸出、輸入，時間差ΔTdelay即為以太網數據流在該器件右側的總延遲時間.

延遲時間算法使用的參數名稱及意義如表2所示.本文提出的算法忽略線纜長度的因素.其中ΔTrx，ΔTtx可以通過查PHY芯片手冊得到，ΔTloop經實驗測得為200 ns.

表2 算法參數含義

延遲時間的算法如圖7所示，可以推導延遲時間ΔTdelay的公式如下:

根據式(1)～式(3)可得所求延遲時間的表達式為

圖7 延遲時間分析算法示意圖

3.2.2 周期分析方法

此分析方法以數據偵聽器的某一個端口作為測量端口，研究單向鏈路中周期性數據幀的周期性抖動.如圖8所示，Td(i)是數據幀經過器件右端口輸出的時間，Ts(i)是數據幀在數據偵聽器中的時間戳.

3.2.3 統計分析及抖動特性分析

時序分析儀不僅可以計算單次延遲、周期時間，而且還可以對一段數據流進行統計分析，得到延遲、周期時間的統計學特征參數，它反應了該時序參數的抖動特性.抖動特性分析的特征值包括平均值、標準偏差σ、最值以及峰峰值等.

圖8 周期分析方法示意圖

時序分析儀還會以圖形化的方式顯示最終分析結果.圖形化結果包括兩種:一個是時間趨勢圖，表示抖動與時間的關系，分別以時間和被測值為x軸和y軸;另一個是分布直方圖，表示抖動的分布規律，分別以被測值和發生次數為x軸和y軸.

3.3 軟件界面

時序分析儀使用C#語言在NET 2.0平臺上開發而成.顯示界面如圖9所示.時序分析儀可以同時進行多個分析任務，并得到清晰的解析結果.

圖9 時序分析儀的界面

4 實驗驗證系統

為了驗證本文提出的時序分析系統的性能，構建了一個采用以實時工業以太網EtherCAT的實驗系統.EtherCAT是由德國BECKHOFF自動化公司于2003年提出的實時工業以太網技術，使用標準以太網器件和串行轉發技術實現，已經成為工業以太網的主流技術之一，獲得廣泛應用［7］.

實驗系統組成如圖10所示，包括一個控制主站，兩個帶有EtherCAT接口的伺服及電機，數據偵聽器和監聽計算機.

系統開始工作后，控制主站一直發送周期性數據幀控制兩個伺服電機運動，通信周期2 ms.實驗系統工作時，數據偵聽器始終捕捉EtherCAT鏈路上的數據幀，并發送給監聽計算機.實驗系統工作結束后，時序分析儀開始分析被監聽鏈路的時序特性.

圖10 實驗系統結構

4.1 延遲分析

本次實驗的延遲分析對象是下行數據流在伺服1內部的延遲.數據偵聽器的Port 0是前幀端口，Port 2是后幀端口.

延遲分析的結果如圖11所示.圖11a是時間趨勢圖，從圖中可以看出該伺服的處理延遲在550～650 ns之間成一定周期性規律抖動;圖11b是分布直方圖，可以看出延遲時間主要集中在570 ～620 ns這個區間.ΔTrx，ΔTtx，ΔTloop的值分別為180 ns，50 ns和200 ns，測試數據實例如表3所示，抖動特性的特征值如表4所示.

圖11 延遲分析結果圖

4.2 周期分析

周期分析對象是主站發送的下行周期性數據幀，因此選擇數據偵聽器的Port 0為測試端口.

周期分析的結果如圖12所示.圖12a是時間趨勢圖:控制主站發送數據幀的周期在1.98～2.02 ms的范圍內無規律的抖動;從圖12b分布直方圖可以看出周期抖動近似正態分布.測試數據實例如表3所示，抖動特性的特征值如表4所示.

圖12 周期分析結果圖

表3 測試數據實例 ns

表4 抖動特征值列表

5 結論

本文提出一種時序特性分析系統，數據偵聽器和偵聽計算機采用千兆以太網連接，硬件單元組配簡單可靠;Probe幀是系統硬件和軟件進行集成交互的數據載體，它封裝了原始幀的所有信息，使系統輕松實現時序特性分析功能;時序分析儀的軟件功能集成度高，不依賴其他工具軟件即可獨立完成解析工作.最后本文構建基于Ether-CAT的實驗系統，實驗結果表明，本文提出的時序特性分析系統能夠完成對實時工業以太網數據的在線捕捉和離線分析，并清晰、直觀的顯示時序特性解析結果，圖形化的展示通信鏈路和器件的時序特性.

References)

［1］ Smith Jack.Basics of industrial ethernet［J］.Plant Engineering，2004，58(8):65-71

［2］劉喆，郇極，劉艷強.基于XML的EtherCAT工業以太網協議解析技術［J］.北京航空航天大學學報，2011，37(9):1086-1090 Liu Zhe，Huan Ji，Liu Yanqiang.Parser of industrial Ethernet EtherCAT based on XML［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2011，37(9):1086-1090(in Chinese)

［3］ Wang Z，Song Y Q，Chen J M，et a1.Real-time characteristics of Ethernet and its improvement［C］//Proceedings of the 4th World Congress on Intelligent Control and Automation(WCICA).Piscataway，NJ:IEEE，2002:1311-1318

［4］胡國傳，沈杰，劉彬，等.基于PROFINET IO的延遲和抖動研究［J］.儀器儀表學報，2011，32(9):2153-2160 Hu Guochuan，Shen Jie，Liu Bin，et al.Study on delay and jitter based on PROFINET IO［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，32(9):2153-2160(in Chinese)

［5］ hilscher.netANALYZER NANL-C500-RE and NANL-B500-RE and software installation，operation and hardware description［EB/OL］.2010-03［2012-05-18］.http://www.hilscher.com/files_manuals/netANALYZER_usermanual_en.pdf.

［6］ Liu Zhe，Huan Ji，Hu Xing.Multi-channel probe for industrial Ethernet measurement［C］//The Proceedings of 2012 International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology.Clausthal-Zellerfeld:Trans Tech Publications，2012:1476-1479

［7］郇極，劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010:3-4 Huan Ji，Liu Yanqiang.The driver development and application of industrial Ethernet fieldbus EtherCAT［M］.Beingjing:BUAA Press，2010:3-4(in Chinese)