郇 极 刘 喆 靳 阳 胡 星

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

实时工业以太网技术是以太网技术在自动控制领域的延伸和发展，是工业控制自动化领域的一个重要发展方向［1］.它具有采用标准以太网器件，基于串行转发技术，大部分使用集总帧结构等特点，典型协议包括 EtherCAT，Profinet和 SERCOS III等［2］.针对此类协议的研究主要集中于系统功能实现以及时序特性分析等方面［3］.

实时工业以太网的时序特性包括通信链路和器件的延迟、周期和抖动等，针对各类协议时序特性的研究比较丰富，主要的研究方法和内容是特性参数的模型建立和图形化结果的定性分析［4］.但是，数据捕获方法以及分析统计算法很少被涉及，一般解析过程需要调用多种软件，其中包括Wireshark等报文分析工具和Matlab等建模、画图工具，因此软硬件的集成度也不高.

德国Hilscher公司提出一种实时以太网网络延迟和时间抖动分析系统netANALYZER［5］，该系统功能丰富，但是数据捕获硬件需要使用 ExpressCard或PCI接口与监听计算机连接，组配能力受到局限，而且数据帧信息没有被完全保存，离线分析能力较弱.

本文提出一种软硬件集成的时序特性分析系统，该系统可以在线捕捉及离线分析被监听链路上的数据帧，并最终以图形化方式显示相应链路和器件的时序特性分析结果.

1 系统整体架构

系统整体架构如图1所示.其中硬件部分包括数据侦听器和监听计算机;软件部分是安装在监听计算机上的时序分析仪.

图1 系统架构

数据侦听器是安装在工业以太网网络中的硬件单元，它的功能是捕捉被监听链路上的原始数据帧(图中所示OF)，提取数据帧信息包括时间戳、长度、是否出错等，封装这些信息生成一个Probe帧(图中所示PF)，最后发送原始数据帧和Probe帧至监听计算机.Probe帧是本文提出的一种专门用于实时工业以太网时序、功能分析的以太网数据帧.

监听计算机是一台配置有千兆以太网口的普通计算机.监听计算机上安装的时序分析仪软件会自动捕捉数据侦听器发送过来的原始数据帧和Probe帧，解析Probe帧中封装的信息，根据用户的设置对数据进行筛选、运算和统计，最后显示图形化的分析结果.

2 以太网数据侦听器

2.1 总体结构

数据侦听器［6］是本文提出的实时工业以太网时序特性分析系统的重要硬件组成单元.如图1所示，数据侦听器主要由现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)和5个标准以太网接口组成.FPGA是侦听器的核心，实现数据帧转发、Probe帧生成等逻辑控制功能，采用Altera公司EP3C25系列芯片;Port 0～3是4个百兆以太网接口，分别与需要被分析的网络器件端口用网线相连，采用LXT973系列10/100M双端口以太网PHY芯片;PortM是千兆以太网接口，与监听计算机相连，采用88E1111千兆以太网PHY芯片.

2.2 FPGA内核设计

FPGA是数据侦听器的核心，其内部模块设计如图2所示.

图2 FPGA内部模块设计

图3 输入端口模块功能示意图

内部TAP模块实现原始数据帧的分路转发功能.输入端口模块的功能如图3所示，它主要完成数据帧(图中所示OF)的信息提取和Probe帧(图中所示PF)的生成功能.校验子模块完成原始数据帧接收、信息提取和错误校验等功能;Probe帧生成子模块封装原始数据帧的各种信息包括端口号、时间戳、长度、是否出错等，并生成一个对应的Probe帧;两种数据帧都暂时存放在buffer子模块中，等待下一步处理.

数据缓存模块依次读取各个输入单口模块buffer中的数据，并写入内部缓存中.输出端口模块负责将内部缓存中的数据通过端口PortM发送给监听计算机.控制单元模块控制其他各个模块，其内部时间戳子模块负责提供一个稳定的分辨率为10 ns的时间戳基准.

2.3 Probe帧结构、功能

Probe帧是本文提出的一种数据帧，是数据侦听器和时序分析仪进行数据交换的载体，其结构如图4所示.Probe帧采用802.3标准MAC帧格式，目的地址和源地址字段值均为6 Byte的0xFF(广播地址)，EtherType字段值为0x0923.MAC数据包括Probe首部和填充两个字段.填充字段内的数据为30 Byte的0，该字段的功能是使整个帧长度达到以太网最短帧长度64 Byte.

图4 Probe帧结构

Probe首部字段的长度为16 Byte，其子字段含义如表1所示.该字段封装了侦听器端口以及原始数据帧的各种信息，其中最重要的是时间戳.数据侦听器在捕捉到原始数据帧的帧起始标记(SFD，Start of Frame Delimiter)时，会在相应的Probe帧中嵌入一个以10 ns为单位的时间戳，该时间戳即为本系统中时序分析仪的主要操作对象.

表1 Probe首部子字段含义

Probe帧和原始数据帧一同被发送到主站并被捕获、保存，因此在没有改变原始数据帧的前提下，尽可能多的保留了原始帧的信息，使得精准的离线分析成为可能.

3 时序分析仪

3.1 软件功能

时序分析仪是安装在监听计算机上的工具软件，分析数据侦听器发送过来的Probe帧，根据用户的设置进行数值计算和统计，最终显示图形化的解析结果，从而对工作器件性能或通信链路质量进行评价.

时序分析仪的功能模块如图5所示.数据捕捉模块捕获监听计算机千兆以太网接口接收到的数据帧并保存成Pcap格式文件;文件读取模块加载Pcap文件后调用延迟分析和周期分析等模块生成预处理数据;通过调用过滤设置模块用户可以定义分析数据帧的范围;接着统计分析模块对预处理数据进行统计运算;最后图形化显示模块显示分析结果.

图5 时序分析仪功能图

3.2 分析方法原理和算法

时序分析仪的主要对象是延迟时间和周期时间，进行统计计算后获得这两种时序特性参数的统计值和抖动特性.

3.2.1 延迟时间分析方法

延迟的测量需要使用数据侦听器的两个端口，算法涉及的两类数据帧定义如下:时序在前的称为“前帧”(fore)，时序在后的称为“后帧”(back)，二者的时间差ΔTdelay即为所测的延迟时间.图6所示为此分析方法的两种应用.

图6 延迟分析方法示意图

图6a所示前帧、后帧分别从器件左端口输入、右端口输出，时间差ΔTdelay即为该方向上的以太网数据流在器件内的延迟时间;图6b所示前帧、后帧分从器件的右端口输出、输入，时间差ΔTdelay即为以太网数据流在该器件右侧的总延迟时间.

延迟时间算法使用的参数名称及意义如表2所示.本文提出的算法忽略线缆长度的因素.其中ΔTrx，ΔTtx可以通过查PHY芯片手册得到，ΔTloop经实验测得为200 ns.

表2 算法参数含义

延迟时间的算法如图7所示，可以推导延迟时间ΔTdelay的公式如下:

根据式(1)～式(3)可得所求延迟时间的表达式为

图7 延迟时间分析算法示意图

3.2.2 周期分析方法

此分析方法以数据侦听器的某一个端口作为测量端口，研究单向链路中周期性数据帧的周期性抖动.如图8所示，Td(i)是数据帧经过器件右端口输出的时间，Ts(i)是数据帧在数据侦听器中的时间戳.

3.2.3 统计分析及抖动特性分析

时序分析仪不仅可以计算单次延迟、周期时间，而且还可以对一段数据流进行统计分析，得到延迟、周期时间的统计学特征参数，它反应了该时序参数的抖动特性.抖动特性分析的特征值包括平均值、标准偏差σ、最值以及峰峰值等.

图8 周期分析方法示意图

时序分析仪还会以图形化的方式显示最终分析结果.图形化结果包括两种:一个是时间趋势图，表示抖动与时间的关系，分别以时间和被测值为x轴和y轴;另一个是分布直方图，表示抖动的分布规律，分别以被测值和发生次数为x轴和y轴.

3.3 软件界面

时序分析仪使用C#语言在NET 2.0平台上开发而成.显示界面如图9所示.时序分析仪可以同时进行多个分析任务，并得到清晰的解析结果.

图9 时序分析仪的界面

4 实验验证系统

为了验证本文提出的时序分析系统的性能，构建了一个采用以实时工业以太网EtherCAT的实验系统.EtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术，使用标准以太网器件和串行转发技术实现，已经成为工业以太网的主流技术之一，获得广泛应用［7］.

实验系统组成如图10所示，包括一个控制主站，两个带有EtherCAT接口的伺服及电机，数据侦听器和监听计算机.

系统开始工作后，控制主站一直发送周期性数据帧控制两个伺服电机运动，通信周期2 ms.实验系统工作时，数据侦听器始终捕捉EtherCAT链路上的数据帧，并发送给监听计算机.实验系统工作结束后，时序分析仪开始分析被监听链路的时序特性.

图10 实验系统结构

4.1 延迟分析

本次实验的延迟分析对象是下行数据流在伺服1内部的延迟.数据侦听器的Port 0是前帧端口，Port 2是后帧端口.

延迟分析的结果如图11所示.图11a是时间趋势图，从图中可以看出该伺服的处理延迟在550～650 ns之间成一定周期性规律抖动;图11b是分布直方图，可以看出延迟时间主要集中在570 ～620 ns这个区间.ΔTrx，ΔTtx，ΔTloop的值分别为180 ns，50 ns和200 ns，测试数据实例如表3所示，抖动特性的特征值如表4所示.

图11 延迟分析结果图

4.2 周期分析

周期分析对象是主站发送的下行周期性数据帧，因此选择数据侦听器的Port 0为测试端口.

周期分析的结果如图12所示.图12a是时间趋势图:控制主站发送数据帧的周期在1.98～2.02 ms的范围内无规律的抖动;从图12b分布直方图可以看出周期抖动近似正态分布.测试数据实例如表3所示，抖动特性的特征值如表4所示.

图12 周期分析结果图

表3 测试数据实例 ns

表4 抖动特征值列表

5 结论

本文提出一种时序特性分析系统，数据侦听器和侦听计算机采用千兆以太网连接，硬件单元组配简单可靠;Probe帧是系统硬件和软件进行集成交互的数据载体，它封装了原始帧的所有信息，使系统轻松实现时序特性分析功能;时序分析仪的软件功能集成度高，不依赖其他工具软件即可独立完成解析工作.最后本文构建基于Ether-CAT的实验系统，实验结果表明，本文提出的时序特性分析系统能够完成对实时工业以太网数据的在线捕捉和离线分析，并清晰、直观的显示时序特性解析结果，图形化的展示通信链路和器件的时序特性.

References)

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

［2］刘喆，郇极，刘艳强.基于XML的EtherCAT工业以太网协议解析技术［J］.北京航空航天大学学报，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］胡国传，沈杰，刘彬，等.基于PROFINET IO的延迟和抖动研究［J］.仪器仪表学报，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］郇极，刘艳强.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，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)