EtherCAT应用于机载测试系统构建可行性研究

黄敏 马飞扬 刘广哲 刘兆庆

摘要：针对传统机载测试系统在空间狭小、结构复杂部位难以部署、带宽过低、同步性能较低等问题，结合我国大飞机项目中机载测试系统的实际要求，提出基于实时以太网EtherCAT技术的网络化机载测试系统，同时使用标准的EtherCAT设备搭建实际的测试系统。以该系统为测试平台，根据大飞机测试系统中系统同步性能和带宽的指标要求，对单链、多链等结构及多种条件下的基于EtherCAT网络化机载测试系统同步性能和带宽进行测试，以此为依据对EtherCAT技术应用于机载测试系统可行性进行详细的论证说明。实验结果表明：EtherCAT技术在同步性和带宽方面可满足机载测试系统多方面的要求，并且具有较高的余量，可以应用于我国大飞机项目的机载测试系统。

关键词：EtherCAT技术;机载测试;狭小空间;性能测试

中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）10-0145-08

收稿日期：2018-12-17;收到修改稿日期：2019-02-01

基金项目：国家自然科学基金（61802272）

作者简介：黄敏（1986-），男，江苏徐州市人，讲师，博士，主要从事自动测试系统研究工作。

0 引言

航空机载测试是飞机飞行试验关键组成，用于采集飞机在空中试飞时的关键数据。目前，机载测试系统在功能上不断完善，数据采集、储存记录、实时处理等功能集成于一体，随之而来的是对机载测试系统性能的更高要求[1]。

随着我国飞机设计与制造能力提升，传统机载测试系统受其本身技术机制和工作过程限制，已不能满足新型、大型飞机飞行试验要求。目前，主流航空公司及专业测试公司均提出了自己的网络化测试架构，如TTC公司提出的Network Systems Group技术;ZODIAC AEROSPACE公司提出的NetworkTelemetry Systems技术;CURTISS WRIGHT公司提出的Flight Test Instrument技术等。但这3家公司的机载测试系统体積庞大、设备质量大、系统传输延迟大、同步性能差，且架构方式以星型架构为主[2-4]，对线缆的数量、质量要求有很高的要求。同时，多层次信息采集结构也会带来很大的传输延迟和对系统同步干扰。考虑其架构方式，在飞机机舱部分部署系统影响较小，但在空间狭小结构复杂的部位，如机翼、机尾等，这种架构方式在设计、安置、选材等方面都会带来对飞机性能的损失。

综合考虑所有适合的实时工业以太网技术，本文提出了一种基于EtherCAT技术的问题解决方案。EtherCAT是由德国BECKHOFF公司研发的实时工业以太网通信协议，凭借其快速实时[5-7]、高同步性[8-10]、成本低廉等优点被工业自动化厂商广泛接受[11-12]。

1 航空机载测试系性能指标分析

在当前机载测试系统广泛采用网络化测试系统背景下，通过网络性能指标进行表征和描述机载测试系统性能是一种可靠且合理的形式。

网络性能评价指标选取需要遵循以下4个原则：

1）业务相关性：选择的性能指标与网络业务关联性强，能够突显网络业务服务质量。

2）综合性：选择的性能指标能综合反映网络数据传输环境状态，能够涵盖网络运行中用户所关注的所有方面。

3）可测量性：选择的性能指标在一定程度内是可以测量的。

4）互不重复性：选择的性能指标之间相互独立，指标之间分别指代不同网络特性，避免综合评价相互干扰和重复误差。

根据上述选取原则，结合机载网络化测试系统发展现状和发展趋势要求，本文选择的重要系统性能描述指标有系统时钟同步偏差、系统总线有效带宽。

系统时钟同步在分布式架构中指系统中具有一个明确时间的设备，其他所有设备都要同这个设备的系统时间保持同步。由于各设备本地时钟晶振频率不同，以及在系统时钟同步过程中的各种误差，导致了系统时钟同步上的偏差。

系统总线带宽是指在单位时间内系统总线能够传输数据量。本文中带宽的实际含义是在给定时间条件下流过特定区域的最大数据位数。而有效带宽指，在单位时间内能传输的有效数据量。

2 EtherCAT系统性能总体测试方案

本文测试对象为EtherCAT系统，结合第1节选取的性能测试参数以及机载网络化测试系统的要求，进行适合于EtherCAT系统性能的测试改造，最后得出系统总体测量方案如图1所示。

测试平台主要由硬件部分与软件部分构成。硬件部分主要由BECKHOFF公司产品组成，包括含有EtherCAT系统主站模块工控机C6930、耦合器端子EK1100、2通道数字量输出端子模块EL2252，2通道模拟量输入端子模块EL3702、EtherCAT系统扩展器EK1110。除此之外，硬件部分包括系统测量器件，主要有安捷伦公司的多通道示波器以及信号发生器。软件部分主要由BECKHOFF公司提供的TwinCAT软件以及辅助软件Wireshark组成。

在进行具体指标测试之前，对测试方案中两种链路构成进行了定义说明。

系统单链：在本性能测试中，定义由一个工控机（EtherCAT主站）与其从属的众多从站组成的链路称之为系统单链，它相当于机载测试中的采集器，如图2所示。其中主站相当于采集器的控制器，而从站相当于采集模块。

系统双（多）链：在机载试飞测试中，通常存在有多个采集器，采集器间通过网络互联。系统多链是指由两个或两个以上相对独立的系统单链构成的系统结构，如图3所示，是由两个系统单链构成的多链（双链）系统。

3 系统时钟同步性测试

EtherCAT系统通过独有的DC分布时钟系统使所有的EtherCAT设备共享同一个系统时间，从而使各设备任务同步执行。分布时钟具有以下6点主要功能：1）实现从站间时钟同步;2）同步地输出信号SYNC; 3）为输入事件产生准确的时间标记;4）为主站提供同步时钟;5）同步采样数字量输入;6）同步更新数字量输出。

类似于1588协议，EtherCAT分布时钟首先认为通信路径是对称的，前向路径的传输延迟与后向延迟相同。在主站时钟与分布时钟对时与控制的过程中，主要是通过软件算法测量与动态补偿时钟排除延迟对称性和抖动性问题。而在EtherCAT从站分布时钟对时过程中，采用硬件时间戳的方式测量以及补偿时钟设计，从根本上解决了延迟对称性和抖动问题。

在成型的EtherCAT设备群中，其DC分布时钟输出的同步信号可以通过测量SYNCO信号获得，使用示波器测量不同从站中SYNCO输出的波形上升沿时间偏差可以反映从站之间的同步误差。为了消除人工干预引入的误差，本文实验中，示波器使用触发模式实现对秒脉冲及基准信号的自动、精准捕获;同时，使用示波器的余辉模式，自动记录1800次秒脉冲信号，全程无需人工干预，因此可以保证信号测试精度;最后，通过对1800次秒脉冲的余辉，利用示波器的自动计算功能，使用平均延时作为实验结果。

由于本测试系统采用BECKHOFF公司提供的已封装好的模块端子，SYNCO并不可直接测量获得。本文采用相同的模块，通过控制同时输出进行测量来间接反映从站时钟偏差。

3.1 系统单链同步性测试

在单链同步性测试中，主站将第一个具有分布时钟功能的从站作为参考时钟源，并将参考时钟源的时间信息通过报文传递给下属从站，下属从站通过参考本地时钟源，调整系统本地时钟与参考时钟源一致，完成系统单链的同步。测试系统架构如图4所示。

在单链测试中，使用了配置完全相同的两个EL2252模块进行测试，通过程序控制两个模块同时进行PPS（pulse per second）信号输出，由示波器进行采集、观察、比较信号输出时间以判断系统同步能力。

根据测试方案总体设计时的因素分解，结果可分为3种情况进行分析，每种情况条件下测试次数维持在1800次左右。

1）参考测试组：本测试中从站线缆长度维持在1m，两个输出模块中间隔模块数为3个。通过示波器顯示数据及波形余辉如图5所示。

根据两路输出以及示波器提供的时间刻度，最大程度上避免人工带来的读取误差后，可知当前环境下，EtherCAT系统单链时钟同步精度范围为-68.0～17.0 us，

2）线缆长度因素测试：本测试在保证两个EL2252模块中间隔模块数目不变的情况下，分别对输出模块间线缆长度为50m、100m条件下进行测试，测试次数稳定在1800次左右，采集到的数据结果分别如图6和图7所示。

对照参考组测试结果，可以看出网线在50m下时，EtherCAT系统单链时钟同步精度范围为-74.0～25.0ns。在网线长度为100m下时，EtherCA7，系统单链时钟同步精度范围为-53.0～19.0ns。由此可知，在系统允许的网线长度范围内，网线长度多少并不会对EtherCAT系统的时钟同步性带来明显的影响。

3）从站个数因素测试：本测试在保证使用网线长度最短的情况下，将间隔从站数目由3个增加到8个后，进行系统同步性测试，测试次数1800次左右，采集数据结果如图8所示。

对比参考组结果，在系统输出模块间间隔从站个数为8时，EtherCAT系统单链时钟同步精度范围为-78.0～31.0ns。对比常规测试中时钟精度范围可知，并无太多变化。

经过实验测量，在EtherCAT系统单链时钟同步性能测试过程中可以看出，系统模块间时钟同步性能大致都在100ns以内。通过上述对比试验可知同步性能受网线长度、从站模块数目影响不大，且EtherCAT系统单链的同步性能远超于飞机测试要求（机载测试最高等级（I级）时钟同步精度要求低于200ns[13]），满足飞机测试需求。

3.2 系统双链同步性测试

在EtherCAT系统的双链测试中引入了重要连接模块EL6688。EL6688模块是一种支持IEEE-1588协议的外部同步接口端子模块，支持PTPvl以及PTPv2，且自身作为从站在EtherCAT系统中支持分布时钟功能，可以作为系统第一从站同步其他系统模块。

双链测试中验证原理和单链相似，同样在保证两个链路同步前提下，通过两路EL2252模块输出PPS信号比较，观测并分析系统双链的同步性能。测试系统架构如图9所示。

本小项测试中，从站间网线长度维持在1m，通过上位机程序控制两输出模块同时输出，测试比较次数1800次。实验采集数据以及波形余辉如图10所示。

本测试中，两路波形分别代表对应链路PPS信号输出情况。通过示波器显示结果可知，两路EtherCAT链路时钟同步精度范围在-38.0～38.0ns之间。考虑到3.1小节的测试结果，有同步性能受网线长度、模块数目影响较小的结论，故在此不再进行重复性实验。EtherCAT系统双（多）链时钟同步精度仍满足100ns范围的要求，满足了飞机机载测试中对多条链路同时测试的同步精度要求（机载测试最高等级（Ⅰ级）时钟同步精度要求低于200ns[13]）。

3.3 外部高精度时钟同步性测试

考虑到局域网组网时交换机的必要性，从外界引入的IEEE-1588同步信号对系统的影响以及普通交换机对同步信号的影响有必要进行考察。在此情况下，提出如图11所示架构。

测试过程设定其中某一EL6688模块作为IEEE-1588超主时钟源，连接至以太网交换机。通过上位机TwinCAT软件将另一EL6688模块设置为IEEE-1588 Slave状态，同样接入以太网交换机中，完成了外部高精度时钟同步性能测试架构。本次实验通过示波器采集比较两路EL2252模块输出判断当前因素对系统同步性能的影响。

在确保使用网线长度最短的情况下，进行了1800次实验，测试示波器显示数据以及波形余辉如图12所示。

通過示波器自带光标测试，最大程度上避免人工带来的读取误差后，可知在当前测试条件下，EtherCAT系统外部高精度时钟同步精度范围在-208.0～-34.0ns内。考虑到使用交换机为普通交换机而非支持IEEE-1588交换机，查阅相关资料表明，在IEEE-1588同步过程中，普通交换机给系统同步时钟带来的误差范围为微秒级与亚微秒级之间，故与本实验结果对比分析，数据合理。

4 系统有效带宽测试

4.1 系统有效带宽测试方案

对于EtherCAT协议帧，一帧中有效数据位数最大为1498B，而对于EL3702模块，单个模块工作在双通道模式，通道超采样设置为100时，有效数据量可达400B。在测试有效带宽过程中，为了保证有足够的数据量，直接将4个EL3702采集模块线性连接，然后在使用TwinCAT对端子进行配置时，超采样中设置最高采样率进行采样传数，数据量可达1600B，满足帧测试需求。测试系统架构如图13所示。

由于工控机与上位机之间是通过Ethernet的方式传递报文，无法从上位机中的Wireshark软件监测到EtherCAT帧，故此时操作环境改在C6930工控机中。在工控机PC中安装Wireshark软件进行监测，确定一定的时间间隔后，通过读取在范围的数据流量大小，计算获得测试带宽值。同时，通过TwinCAT软件可以直接读取EtherCAT报文有效数据区数据大小，通过计算可获得实际有效带宽值并算出有效带宽占比。

通过得到的（有效）数据大小以及帧传递时间，有效带宽计算公式如下：

4.2 系统有效带宽测试结果

影响EtherCAT系统有效带宽的主要因素以帧长度、从站个数、线缆长度为主。其中从站个数、线缆长度皆是通过影响帧传递时间来影响系统有效带宽，且带来影响较小，考虑到系统配置情况，控制从站个数、线缆长度为定值后，改变EtherCAT帧长度并分析实验结果。经过不同条件下多次测试，系统有效带宽测试结果如表1和表2所示。

由于测试系统相较大型EtherCAT系统规模较小，当前状况并不能做到一个周期内3帧或3帧以上的情况测试。由以上测试结果可以看出，EtherCAT系统有效带宽满足百兆带宽的要求，有一定的损耗，且其利用率在帧较大的情况下时，一定范围内都可以保证在90%左右的利用率。当前测试背景下，系统只是从EtherCAT从站中取得大部分有效数据，并没有来自主站需要下放到从站有效数据，即系统全双工特性没有得到利用，当来自系统主站的有效数据足够时，整个系统的有效数据利用带宽可大于100Mb/s，且EtherCAT系统支持千兆以太网扩展足以满足机载测试中数据量传输速度的要求。

5 EtherCAT系统应用于机载测试系统可行性分析

从系统同步性上来看，EtherCAT系统分布时钟同步性能优异，各节点处时钟同步精度可以达到百纳秒以内，且可以通过特殊模块在双链或多链之间保持百纳秒内的精度，易于扩展;同时，线缆长度、从站数目对系统时钟同步性只有很小的影响。考虑到航空机载测试的指标要求，百纳秒级别的同步性能可以很好地满足测试要求。

从系统有效带宽值上来看，EtherCAT系统有效带宽值满足百兆带宽测试要求，有效带宽占比在很大范围上可以维持在90%左右;考虑到EtherCAT系统可充分利用全双工特性后，实际系统有效带宽值可大于百兆带宽;同时EtherCAT支持千兆以太网扩展，可以支持航空机载测试进一步发展与变化。

在架构模式上，采用线型连接方式的EtherCAT系统可以大量减少线缆使用，减轻设备质量，也可以使得布局系统更加地明晰并且随着PoE（Power Over Ethernet）技术快速发展，将带来系统供电模式的大大改变，更能体现出线型连接方式的优势;另外EtherCAT总线具冗余技术，可以在链路出现断层后，及时反馈断层位置，且过程数据交换不会受到影响，仍可以完成。这两个方面对于机载测试系统有很大地改善和提高，适应于整个系统发展方向。

由于EtherCAT是实时工业控制以太网，要应用于机载测试系统方面需要进行多方面改造，主要可分为硬件和软件两方面进行考虑。硬件方面目前主要为BECKHOFF公司提供的组件，但是从主站以及从站体积来考量都比较庞大并且支持的测试项目较为固定，并没有在飞机测试所需参数上进行针对性设计。软件上，当前BECKHOFF公司提供的软件只针对于Windows平台，考虑到便利性与移植性，使用嵌入式平台更容易满足飞机测试要求;且在具有针对性测试目标条件下，TwinCAT软件体积过于庞大，虽然功能强大但不易于移植。综上，提出一种基于嵌入式平台使用方便移植、控制简单系统，软件上开发适应于机载测试软件方案;硬件上将与EtherCAT系统时钟相关的第一从站与主站制作成一个部件，且留以扩展外部高精度时钟的IEEE-1588接口。

6 结束语

通过对当前机载测试系统的分析比较，发现了现行测试系统在狭小空间测试上的不足，在此基础上提出了基于EtherCAT技术的机载测试系统。在分析机载测试系统后，确立了系统参考指标，并搭建了EtherCAT A能测试系统平台，通过反复、大量的实验，说明了EtherCAT系统在同步性、带宽方面相比传统总线都有显著的提升，符合当前机载测试系统的要求，考虑到其扩展性，在机载测试系统有很大的应用前景。

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（編辑：商丹丹）