EtherCAT應用于機載測試系統構建可行性研究

黃敏 馬飛揚 劉廣哲 劉兆慶

摘要：針對傳統機載測試系統在空間狹小、結構復雜部位難以部署、帶寬過低、同步性能較低等問題，結合我國大飛機項目中機載測試系統的實際要求，提出基于實時以太網EtherCAT技術的網絡化機載測試系統，同時使用標準的EtherCAT設備搭建實際的測試系統。以該系統為測試平臺，根據大飛機測試系統中系統同步性能和帶寬的指標要求，對單鏈、多鏈等結構及多種條件下的基于EtherCAT網絡化機載測試系統同步性能和帶寬進行測試，以此為依據對EtherCAT技術應用于機載測試系統可行性進行詳細的論證說明。實驗結果表明：EtherCAT技術在同步性和帶寬方面可滿足機載測試系統多方面的要求，并且具有較高的余量，可以應用于我國大飛機項目的機載測試系統。

關鍵詞：EtherCAT技術;機載測試;狹小空間;性能測試

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0145-08

收稿日期：2018-12-17;收到修改稿日期：2019-02-01

基金項目：國家自然科學基金（61802272）

作者簡介：黃敏（1986-），男，江蘇徐州市人，講師，博士，主要從事自動測試系統研究工作。

0 引言

航空機載測試是飛機飛行試驗關鍵組成，用于采集飛機在空中試飛時的關鍵數據。目前，機載測試系統在功能上不斷完善，數據采集、儲存記錄、實時處理等功能集成于一體，隨之而來的是對機載測試系統性能的更高要求[1]。

隨著我國飛機設計與制造能力提升，傳統機載測試系統受其本身技術機制和工作過程限制，已不能滿足新型、大型飛機飛行試驗要求。目前，主流航空公司及專業測試公司均提出了自己的網絡化測試架構，如TTC公司提出的Network Systems Group技術;ZODIAC AEROSPACE公司提出的NetworkTelemetry Systems技術;CURTISS WRIGHT公司提出的Flight Test Instrument技術等。但這3家公司的機載測試系統體積龐大、設備質量大、系統傳輸延遲大、同步性能差，且架構方式以星型架構為主[2-4]，對線纜的數量、質量要求有很高的要求。同時，多層次信息采集結構也會帶來很大的傳輸延遲和對系統同步干擾。考慮其架構方式，在飛機機艙部分部署系統影響較小，但在空間狹小結構復雜的部位，如機翼、機尾等，這種架構方式在設計、安置、選材等方面都會帶來對飛機性能的損失。

綜合考慮所有適合的實時工業以太網技術，本文提出了一種基于EtherCAT技術的問題解決方案。EtherCAT是由德國BECKHOFF公司研發的實時工業以太網通信協議，憑借其快速實時[5-7]、高同步性[8-10]、成本低廉等優點被工業自動化廠商廣泛接受[11-12]。

1 航空機載測試系性能指標分析

在當前機載測試系統廣泛采用網絡化測試系統背景下，通過網絡性能指標進行表征和描述機載測試系統性能是一種可靠且合理的形式。

網絡性能評價指標選取需要遵循以下4個原則：

1）業務相關性：選擇的性能指標與網絡業務關聯性強，能夠突顯網絡業務服務質量。

2）綜合性：選擇的性能指標能綜合反映網絡數據傳輸環境狀態，能夠涵蓋網絡運行中用戶所關注的所有方面。

3）可測量性：選擇的性能指標在一定程度內是可以測量的。

4）互不重復性：選擇的性能指標之間相互獨立，指標之間分別指代不同網絡特性，避免綜合評價相互干擾和重復誤差。

根據上述選取原則，結合機載網絡化測試系統發展現狀和發展趨勢要求，本文選擇的重要系統性能描述指標有系統時鐘同步偏差、系統總線有效帶寬。

系統時鐘同步在分布式架構中指系統中具有一個明確時間的設備，其他所有設備都要同這個設備的系統時間保持同步。由于各設備本地時鐘晶振頻率不同，以及在系統時鐘同步過程中的各種誤差，導致了系統時鐘同步上的偏差。

系統總線帶寬是指在單位時間內系統總線能夠傳輸數據量。本文中帶寬的實際含義是在給定時間條件下流過特定區域的最大數據位數。而有效帶寬指，在單位時間內能傳輸的有效數據量。

2 EtherCAT系統性能總體測試方案

本文測試對象為EtherCAT系統，結合第1節選取的性能測試參數以及機載網絡化測試系統的要求，進行適合于EtherCAT系統性能的測試改造，最后得出系統總體測量方案如圖1所示。

測試平臺主要由硬件部分與軟件部分構成。硬件部分主要由BECKHOFF公司產品組成，包括含有EtherCAT系統主站模塊工控機C6930、耦合器端子EK1100、2通道數字量輸出端子模塊EL2252，2通道模擬量輸入端子模塊EL3702、EtherCAT系統擴展器EK1110。除此之外，硬件部分包括系統測量器件，主要有安捷倫公司的多通道示波器以及信號發生器。軟件部分主要由BECKHOFF公司提供的TwinCAT軟件以及輔助軟件Wireshark組成。

在進行具體指標測試之前，對測試方案中兩種鏈路構成進行了定義說明。

系統單鏈：在本性能測試中，定義由一個工控機（EtherCAT主站）與其從屬的眾多從站組成的鏈路稱之為系統單鏈，它相當于機載測試中的采集器，如圖2所示。其中主站相當于采集器的控制器，而從站相當于采集模塊。

系統雙（多）鏈：在機載試飛測試中，通常存在有多個采集器，采集器間通過網絡互聯。系統多鏈是指由兩個或兩個以上相對獨立的系統單鏈構成的系統結構，如圖3所示，是由兩個系統單鏈構成的多鏈（雙鏈）系統。

3 系統時鐘同步性測試

EtherCAT系統通過獨有的DC分布時鐘系統使所有的EtherCAT設備共享同一個系統時間，從而使各設備任務同步執行。分布時鐘具有以下6點主要功能：1）實現從站間時鐘同步;2）同步地輸出信號SYNC; 3）為輸入事件產生準確的時間標記;4）為主站提供同步時鐘;5）同步采樣數字量輸入;6）同步更新數字量輸出。

類似于1588協議，EtherCAT分布時鐘首先認為通信路徑是對稱的，前向路徑的傳輸延遲與后向延遲相同。在主站時鐘與分布時鐘對時與控制的過程中，主要是通過軟件算法測量與動態補償時鐘排除延遲對稱性和抖動性問題。而在EtherCAT從站分布時鐘對時過程中，采用硬件時間戳的方式測量以及補償時鐘設計，從根本上解決了延遲對稱性和抖動問題。

在成型的EtherCAT設備群中，其DC分布時鐘輸出的同步信號可以通過測量SYNCO信號獲得，使用示波器測量不同從站中SYNCO輸出的波形上升沿時間偏差可以反映從站之間的同步誤差。為了消除人工干預引入的誤差，本文實驗中，示波器使用觸發模式實現對秒脈沖及基準信號的自動、精準捕獲;同時，使用示波器的余輝模式，自動記錄1800次秒脈沖信號，全程無需人工干預，因此可以保證信號測試精度;最后，通過對1800次秒脈沖的余輝，利用示波器的自動計算功能，使用平均延時作為實驗結果。

由于本測試系統采用BECKHOFF公司提供的已封裝好的模塊端子，SYNCO并不可直接測量獲得。本文采用相同的模塊，通過控制同時輸出進行測量來間接反映從站時鐘偏差。

3.1 系統單鏈同步性測試

在單鏈同步性測試中，主站將第一個具有分布時鐘功能的從站作為參考時鐘源，并將參考時鐘源的時間信息通過報文傳遞給下屬從站，下屬從站通過參考本地時鐘源，調整系統本地時鐘與參考時鐘源一致，完成系統單鏈的同步。測試系統架構如圖4所示。

在單鏈測試中，使用了配置完全相同的兩個EL2252模塊進行測試，通過程序控制兩個模塊同時進行PPS（pulse per second）信號輸出，由示波器進行采集、觀察、比較信號輸出時間以判斷系統同步能力。

根據測試方案總體設計時的因素分解，結果可分為3種情況進行分析，每種情況條件下測試次數維持在1800次左右。

1）參考測試組：本測試中從站線纜長度維持在1m，兩個輸出模塊中間隔模塊數為3個。通過示波器顯示數據及波形余輝如圖5所示。

根據兩路輸出以及示波器提供的時間刻度，最大程度上避免人工帶來的讀取誤差后，可知當前環境下，EtherCAT系統單鏈時鐘同步精度范圍為-68.0～17.0 us，

2）線纜長度因素測試：本測試在保證兩個EL2252模塊中間隔模塊數目不變的情況下，分別對輸出模塊間線纜長度為50m、100m條件下進行測試，測試次數穩定在1800次左右，采集到的數據結果分別如圖6和圖7所示。

對照參考組測試結果，可以看出網線在50m下時，EtherCAT系統單鏈時鐘同步精度范圍為-74.0～25.0ns。在網線長度為100m下時，EtherCA7，系統單鏈時鐘同步精度范圍為-53.0～19.0ns。由此可知，在系統允許的網線長度范圍內，網線長度多少并不會對EtherCAT系統的時鐘同步性帶來明顯的影響。

3）從站個數因素測試：本測試在保證使用網線長度最短的情況下，將間隔從站數目由3個增加到8個后，進行系統同步性測試，測試次數1800次左右，采集數據結果如圖8所示。

對比參考組結果，在系統輸出模塊間間隔從站個數為8時，EtherCAT系統單鏈時鐘同步精度范圍為-78.0～31.0ns。對比常規測試中時鐘精度范圍可知，并無太多變化。

經過實驗測量，在EtherCAT系統單鏈時鐘同步性能測試過程中可以看出，系統模塊間時鐘同步性能大致都在100ns以內。通過上述對比試驗可知同步性能受網線長度、從站模塊數目影響不大，且EtherCAT系統單鏈的同步性能遠超于飛機測試要求（機載測試最高等級（I級）時鐘同步精度要求低于200ns[13]），滿足飛機測試需求。

3.2 系統雙鏈同步性測試

在EtherCAT系統的雙鏈測試中引入了重要連接模塊EL6688。EL6688模塊是一種支持IEEE-1588協議的外部同步接口端子模塊，支持PTPvl以及PTPv2，且自身作為從站在EtherCAT系統中支持分布時鐘功能，可以作為系統第一從站同步其他系統模塊。

雙鏈測試中驗證原理和單鏈相似，同樣在保證兩個鏈路同步前提下，通過兩路EL2252模塊輸出PPS信號比較，觀測并分析系統雙鏈的同步性能。測試系統架構如圖9所示。

本小項測試中，從站間網線長度維持在1m，通過上位機程序控制兩輸出模塊同時輸出，測試比較次數1800次。實驗采集數據以及波形余輝如圖10所示。

本測試中，兩路波形分別代表對應鏈路PPS信號輸出情況。通過示波器顯示結果可知，兩路EtherCAT鏈路時鐘同步精度范圍在-38.0～38.0ns之間。考慮到3.1小節的測試結果，有同步性能受網線長度、模塊數目影響較小的結論，故在此不再進行重復性實驗。EtherCAT系統雙（多）鏈時鐘同步精度仍滿足100ns范圍的要求，滿足了飛機機載測試中對多條鏈路同時測試的同步精度要求（機載測試最高等級（Ⅰ級）時鐘同步精度要求低于200ns[13]）。

3.3 外部高精度時鐘同步性測試

考慮到局域網組網時交換機的必要性，從外界引入的IEEE-1588同步信號對系統的影響以及普通交換機對同步信號的影響有必要進行考察。在此情況下，提出如圖11所示架構。

測試過程設定其中某一EL6688模塊作為IEEE-1588超主時鐘源，連接至以太網交換機。通過上位機TwinCAT軟件將另一EL6688模塊設置為IEEE-1588 Slave狀態，同樣接入以太網交換機中，完成了外部高精度時鐘同步性能測試架構。本次實驗通過示波器采集比較兩路EL2252模塊輸出判斷當前因素對系統同步性能的影響。

在確保使用網線長度最短的情況下，進行了1800次實驗，測試示波器顯示數據以及波形余輝如圖12所示。

通過示波器自帶光標測試，最大程度上避免人工帶來的讀取誤差后，可知在當前測試條件下，EtherCAT系統外部高精度時鐘同步精度范圍在-208.0～-34.0ns內。考慮到使用交換機為普通交換機而非支持IEEE-1588交換機，查閱相關資料表明，在IEEE-1588同步過程中，普通交換機給系統同步時鐘帶來的誤差范圍為微秒級與亞微秒級之間，故與本實驗結果對比分析，數據合理。

4 系統有效帶寬測試

4.1 系統有效帶寬測試方案

對于EtherCAT協議幀，一幀中有效數據位數最大為1498B，而對于EL3702模塊，單個模塊工作在雙通道模式，通道超采樣設置為100時，有效數據量可達400B。在測試有效帶寬過程中，為了保證有足夠的數據量，直接將4個EL3702采集模塊線性連接，然后在使用TwinCAT對端子進行配置時，超采樣中設置最高采樣率進行采樣傳數，數據量可達1600B，滿足幀測試需求。測試系統架構如圖13所示。

由于工控機與上位機之間是通過Ethernet的方式傳遞報文，無法從上位機中的Wireshark軟件監測到EtherCAT幀，故此時操作環境改在C6930工控機中。在工控機PC中安裝Wireshark軟件進行監測，確定一定的時間間隔后，通過讀取在范圍的數據流量大小，計算獲得測試帶寬值。同時，通過TwinCAT軟件可以直接讀取EtherCAT報文有效數據區數據大小，通過計算可獲得實際有效帶寬值并算出有效帶寬占比。

通過得到的（有效）數據大小以及幀傳遞時間，有效帶寬計算公式如下：

4.2 系統有效帶寬測試結果

影響EtherCAT系統有效帶寬的主要因素以幀長度、從站個數、線纜長度為主。其中從站個數、線纜長度皆是通過影響幀傳遞時間來影響系統有效帶寬，且帶來影響較小，考慮到系統配置情況，控制從站個數、線纜長度為定值后，改變EtherCAT幀長度并分析實驗結果。經過不同條件下多次測試，系統有效帶寬測試結果如表1和表2所示。

由于測試系統相較大型EtherCAT系統規模較小，當前狀況并不能做到一個周期內3幀或3幀以上的情況測試。由以上測試結果可以看出，EtherCAT系統有效帶寬滿足百兆帶寬的要求，有一定的損耗，且其利用率在幀較大的情況下時，一定范圍內都可以保證在90%左右的利用率。當前測試背景下，系統只是從EtherCAT從站中取得大部分有效數據，并沒有來自主站需要下放到從站有效數據，即系統全雙工特性沒有得到利用，當來自系統主站的有效數據足夠時，整個系統的有效數據利用帶寬可大于100Mb/s，且EtherCAT系統支持千兆以太網擴展足以滿足機載測試中數據量傳輸速度的要求。

5 EtherCAT系統應用于機載測試系統可行性分析

從系統同步性上來看，EtherCAT系統分布時鐘同步性能優異，各節點處時鐘同步精度可以達到百納秒以內，且可以通過特殊模塊在雙鏈或多鏈之間保持百納秒內的精度，易于擴展;同時，線纜長度、從站數目對系統時鐘同步性只有很小的影響。考慮到航空機載測試的指標要求，百納秒級別的同步性能可以很好地滿足測試要求。

從系統有效帶寬值上來看，EtherCAT系統有效帶寬值滿足百兆帶寬測試要求，有效帶寬占比在很大范圍上可以維持在90%左右;考慮到EtherCAT系統可充分利用全雙工特性后，實際系統有效帶寬值可大于百兆帶寬;同時EtherCAT支持千兆以太網擴展，可以支持航空機載測試進一步發展與變化。

在架構模式上，采用線型連接方式的EtherCAT系統可以大量減少線纜使用，減輕設備質量，也可以使得布局系統更加地明晰并且隨著PoE（Power Over Ethernet）技術快速發展，將帶來系統供電模式的大大改變，更能體現出線型連接方式的優勢;另外EtherCAT總線具冗余技術，可以在鏈路出現斷層后，及時反饋斷層位置，且過程數據交換不會受到影響，仍可以完成。這兩個方面對于機載測試系統有很大地改善和提高，適應于整個系統發展方向。

由于EtherCAT是實時工業控制以太網，要應用于機載測試系統方面需要進行多方面改造，主要可分為硬件和軟件兩方面進行考慮。硬件方面目前主要為BECKHOFF公司提供的組件，但是從主站以及從站體積來考量都比較龐大并且支持的測試項目較為固定，并沒有在飛機測試所需參數上進行針對性設計。軟件上，當前BECKHOFF公司提供的軟件只針對于Windows平臺，考慮到便利性與移植性，使用嵌入式平臺更容易滿足飛機測試要求;且在具有針對性測試目標條件下，TwinCAT軟件體積過于龐大，雖然功能強大但不易于移植。綜上，提出一種基于嵌入式平臺使用方便移植、控制簡單系統，軟件上開發適應于機載測試軟件方案;硬件上將與EtherCAT系統時鐘相關的第一從站與主站制作成一個部件，且留以擴展外部高精度時鐘的IEEE-1588接口。

6 結束語

通過對當前機載測試系統的分析比較，發現了現行測試系統在狹小空間測試上的不足，在此基礎上提出了基于EtherCAT技術的機載測試系統。在分析機載測試系統后，確立了系統參考指標，并搭建了EtherCAT A能測試系統平臺，通過反復、大量的實驗，說明了EtherCAT系統在同步性、帶寬方面相比傳統總線都有顯著的提升，符合當前機載測試系統的要求，考慮到其擴展性，在機載測試系統有很大的應用前景。

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（編輯：商丹丹）