實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT時(shí)序特性分析系統(tǒng)

郇 極 劉 喆 靳 陽 胡 星

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191)

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是以太網(wǎng)技術(shù)在自動控制領(lǐng)域的延伸和發(fā)展，是工業(yè)控制自動化領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向［1］.它具有采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)器件，基于串行轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，大部分使用集總幀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，典型協(xié)議包括 EtherCAT，Profinet和 SERCOS III等［2］.針對此類協(xié)議的研究主要集中于系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)以及時(shí)序特性分析等方面［3］.

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的時(shí)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(xié)議時(shí)序特性的研究比較豐富，主要的研究方法和內(nèi)容是特性參數(shù)的模型建立和圖形化結(jié)果的定性分析［4］.但是，數(shù)據(jù)捕獲方法以及分析統(tǒng)計(jì)算法很少被涉及，一般解析過程需要調(diào)用多種軟件，其中包括Wireshark等報(bào)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延遲和時(shí)間抖動分析系統(tǒng)netANALYZER［5］，該系統(tǒng)功能豐富，但是數(shù)據(jù)捕獲硬件需要使用 ExpressCard或PCI接口與監(jiān)聽計(jì)算機(jī)連接，組配能力受到局限，而且數(shù)據(jù)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(shí)序特性分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在線捕捉及離線分析被監(jiān)聽鏈路上的數(shù)據(jù)幀，并最終以圖形化方式顯示相應(yīng)鏈路和器件的時(shí)序特性分析結(jié)果.

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示.其中硬件部分包括數(shù)據(jù)偵聽器和監(jiān)聽計(jì)算機(jī);軟件部分是安裝在監(jiān)聽計(jì)算機(jī)上的時(shí)序分析儀.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)偵聽器是安裝在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的硬件單元，它的功能是捕捉被監(jiān)聽鏈路上的原始數(shù)據(jù)幀(圖中所示OF)，提取數(shù)據(jù)幀信息包括時(shí)間戳、長度、是否出錯(cuò)等，封裝這些信息生成一個(gè)Probe幀(圖中所示PF)，最后發(fā)送原始數(shù)據(jù)幀和Probe幀至監(jiān)聽計(jì)算機(jī).Probe幀是本文提出的一種專門用于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)序、功能分析的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀.

監(jiān)聽計(jì)算機(jī)是一臺配置有千兆以太網(wǎng)口的普通計(jì)算機(jī).監(jiān)聽計(jì)算機(jī)上安裝的時(shí)序分析儀軟件會自動捕捉數(shù)據(jù)偵聽器發(fā)送過來的原始數(shù)據(jù)幀和Probe幀，解析Probe幀中封裝的信息，根據(jù)用戶的設(shè)置對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)，最后顯示圖形化的分析結(jié)果.

2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)偵聽器

2.1 總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)偵聽器［6］是本文提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)序特性分析系統(tǒng)的重要硬件組成單元.如圖1所示，數(shù)據(jù)偵聽器主要由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA，F(xiàn)ield-Programmable Gate Array)和5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口組成.FPGA是偵聽器的核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)、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(gè)百兆以太網(wǎng)接口，分別與需要被分析的網(wǎng)絡(luò)器件端口用網(wǎng)線相連，采用LXT973系列10/100M雙端口以太網(wǎng)PHY芯片;PortM是千兆以太網(wǎng)接口，與監(jiān)聽計(jì)算機(jī)相連，采用88E1111千兆以太網(wǎng)PHY芯片.

2.2 FPGA內(nèi)核設(shè)計(jì)

FPGA是數(shù)據(jù)偵聽器的核心，其內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)

圖3 輸入端口模塊功能示意圖

內(nèi)部TAP模塊實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)幀的分路轉(zhuǎn)發(fā)功能.輸入端口模塊的功能如圖3所示，它主要完成數(shù)據(jù)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(yàn)子模塊完成原始數(shù)據(jù)幀接收、信息提取和錯(cuò)誤校驗(yàn)等功能;Probe幀生成子模塊封裝原始數(shù)據(jù)幀的各種信息包括端口號、時(shí)間戳、長度、是否出錯(cuò)等，并生成一個(gè)對應(yīng)的Probe幀;兩種數(shù)據(jù)幀都暫時(shí)存放在buffer子模塊中，等待下一步處理.

數(shù)據(jù)緩存模塊依次讀取各個(gè)輸入單口模塊buffer中的數(shù)據(jù)，并寫入內(nèi)部緩存中.輸出端口模塊負(fù)責(zé)將內(nèi)部緩存中的數(shù)據(jù)通過端口PortM發(fā)送給監(jiān)聽計(jì)算機(jī).控制單元模塊控制其他各個(gè)模塊，其內(nèi)部時(shí)間戳子模塊負(fù)責(zé)提供一個(gè)穩(wěn)定的分辨率為10 ns的時(shí)間戳基準(zhǔn).

2.3 Probe幀結(jié)構(gòu)、功能

Probe幀是本文提出的一種數(shù)據(jù)幀，是數(shù)據(jù)偵聽器和時(shí)序分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的載體，其結(jié)構(gòu)如圖4所示.Probe幀采用802.3標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)包括Probe首部和填充兩個(gè)字段.填充字段內(nèi)的數(shù)據(jù)為30 Byte的0，該字段的功能是使整個(gè)幀長度達(dá)到以太網(wǎng)最短幀長度64 Byte.

圖4 Probe幀結(jié)構(gòu)

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(shù)據(jù)幀的各種信息，其中最重要的是時(shí)間戳.數(shù)據(jù)偵聽器在捕捉到原始數(shù)據(jù)幀的幀起始標(biāo)記(SFD，Start of Frame Delimiter)時(shí)，會在相應(yīng)的Probe幀中嵌入一個(gè)以10 ns為單位的時(shí)間戳，該時(shí)間戳即為本系統(tǒng)中時(shí)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(shù)據(jù)幀一同被發(fā)送到主站并被捕獲、保存，因此在沒有改變原始數(shù)據(jù)幀的前提下，盡可能多的保留了原始幀的信息，使得精準(zhǔn)的離線分析成為可能.

3 時(shí)序分析儀

3.1 軟件功能

時(shí)序分析儀是安裝在監(jiān)聽計(jì)算機(jī)上的工具軟件，分析數(shù)據(jù)偵聽器發(fā)送過來的Probe幀，根據(jù)用戶的設(shè)置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，最終顯示圖形化的解析結(jié)果，從而對工作器件性能或通信鏈路質(zhì)量進(jìn)行評價(jià).

時(shí)序分析儀的功能模塊如圖5所示.數(shù)據(jù)捕捉模塊捕獲監(jiān)聽計(jì)算機(jī)千兆以太網(wǎng)接口接收到的數(shù)據(jù)幀并保存成Pcap格式文件;文件讀取模塊加載Pcap文件后調(diào)用延遲分析和周期分析等模塊生成預(yù)處理數(shù)據(jù);通過調(diào)用過濾設(shè)置模塊用戶可以定義分析數(shù)據(jù)幀的范圍;接著統(tǒng)計(jì)分析模塊對預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算;最后圖形化顯示模塊顯示分析結(jié)果.

圖5 時(shí)序分析儀功能圖

3.2 分析方法原理和算法

時(shí)序分析儀的主要對象是延遲時(shí)間和周期時(shí)間，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算后獲得這兩種時(shí)序特性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值和抖動特性.

3.2.1 延遲時(shí)間分析方法

延遲的測量需要使用數(shù)據(jù)偵聽器的兩個(gè)端口，算法涉及的兩類數(shù)據(jù)幀定義如下:時(shí)序在前的稱為“前幀”(fore)，時(shí)序在后的稱為“后幀”(back)，二者的時(shí)間差ΔTdelay即為所測的延遲時(shí)間.圖6所示為此分析方法的兩種應(yīng)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(shí)間差ΔTdelay即為該方向上的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流在器件內(nèi)的延遲時(shí)間;圖6b所示前幀、后幀分從器件的右端口輸出、輸入，時(shí)間差ΔTdelay即為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流在該器件右側(cè)的總延遲時(shí)間.

延遲時(shí)間算法使用的參數(shù)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(jīng)實(shí)驗(yàn)測得為200 ns.

表2 算法參數(shù)含義

延遲時(shí)間的算法如圖7所示，可以推導(dǎo)延遲時(shí)間ΔTdelay的公式如下:

根據(jù)式(1)～式(3)可得所求延遲時(shí)間的表達(dá)式為

圖7 延遲時(shí)間分析算法示意圖

3.2.2 周期分析方法

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

3.2.3 統(tǒng)計(jì)分析及抖動特性分析

時(shí)序分析儀不僅可以計(jì)算單次延遲、周期時(shí)間，而且還可以對一段數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到延遲、周期時(shí)間的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征參數(shù)，它反應(yīng)了該時(shí)序參數(shù)的抖動特性.抖動特性分析的特征值包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差σ、最值以及峰峰值等.

圖8 周期分析方法示意圖

時(shí)序分析儀還會以圖形化的方式顯示最終分析結(jié)果.圖形化結(jié)果包括兩種:一個(gè)是時(shí)間趨勢圖，表示抖動與時(shí)間的關(guān)系，分別以時(shí)間和被測值為x軸和y軸;另一個(gè)是分布直方圖，表示抖動的分布規(guī)律，分別以被測值和發(fā)生次數(shù)為x軸和y軸.

3.3 軟件界面

時(shí)序分析儀使用C#語言在NET 2.0平臺上開發(fā)而成.顯示界面如圖9所示.時(shí)序分析儀可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)分析任務(wù)，并得到清晰的解析結(jié)果.

圖9 時(shí)序分析儀的界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)

為了驗(yàn)證本文提出的時(shí)序分析系統(tǒng)的性能，構(gòu)建了一個(gè)采用以實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).EtherCAT是由德國BECKHOFF自動化公司于2003年提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)器件和串行轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)成為工業(yè)以太網(wǎng)的主流技術(shù)之一，獲得廣泛應(yīng)用［7］.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖10所示，包括一個(gè)控制主站，兩個(gè)帶有EtherCAT接口的伺服及電機(jī)，數(shù)據(jù)偵聽器和監(jiān)聽計(jì)算機(jī).

系統(tǒng)開始工作后，控制主站一直發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀控制兩個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)動，通信周期2 ms.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)偵聽器始終捕捉EtherCAT鏈路上的數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送給監(jiān)聽計(jì)算機(jī).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作結(jié)束后，時(shí)序分析儀開始分析被監(jiān)聽鏈路的時(shí)序特性.

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 延遲分析

本次實(shí)驗(yàn)的延遲分析對象是下行數(shù)據(jù)流在伺服1內(nèi)部的延遲.數(shù)據(jù)偵聽器的Port 0是前幀端口，Port 2是后幀端口.

延遲分析的結(jié)果如圖11所示.圖11a是時(shí)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(guī)律抖動;圖11b是分布直方圖，可以看出延遲時(shí)間主要集中在570 ～620 ns這個(gè)區(qū)間.ΔTrx，ΔTtx，ΔTloop的值分別為180 ns，50 ns和200 ns，測試數(shù)據(jù)實(shí)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(jié)果圖

4.2 周期分析

周期分析對象是主站發(fā)送的下行周期性數(shù)據(jù)幀，因此選擇數(shù)據(jù)偵聽器的Port 0為測試端口.

周期分析的結(jié)果如圖12所示.圖12a是時(shí)間趨勢圖:控制主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀的周期在1.98～2.02 ms的范圍內(nèi)無規(guī)律的抖動;從圖12b分布直方圖可以看出周期抖動近似正態(tài)分布.測試數(shù)據(jù)實(shí)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(jié)果圖

表3 測試數(shù)據(jù)實(shí)例 ns

表4 抖動特征值列表

5 結(jié)論

本文提出一種時(shí)序特性分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)偵聽器和偵聽計(jì)算機(jī)采用千兆以太網(wǎng)連接，硬件單元組配簡單可靠;Probe幀是系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行集成交互的數(shù)據(jù)載體，它封裝了原始幀的所有信息，使系統(tǒng)輕松實(shí)現(xiàn)時(shí)序特性分析功能;時(shí)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(dú)立完成解析工作.最后本文構(gòu)建基于Ether-CAT的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的時(shí)序特性分析系統(tǒng)能夠完成對實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的在線捕捉和離線分析，并清晰、直觀的顯示時(shí)序特性解析結(jié)果，圖形化的展示通信鏈路和器件的時(shí)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(qiáng).基于XML的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議解析技術(shù)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)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)