● 摘要
工业以太网是一种先进的实时现场总线技术，是以太网技术在工业控制和自动化领域的延伸和发展，代表了现场总线技术的发展方向。目前，工业以太网现场总线已经成为自动化设备通信控制领域的研究重点和热点，得到了广泛的应用，呈现了快速发展的趋势。工业以太网应用过程中的许多重要环节，例如设备检测、故障诊断、协议标准升级、新型协议或设备开发等，都需要有功能完善而且性能良好的分析、诊断工具作为保障。针对工业以太网的技术需求，现有的以太网侦听、解析技术存在许多方面的不足，例如专用性太强、开放性受局限、解析结果不够直观、无法完整保留错误帧等。本文针对工业以太网现场总线的特点进行了深入研究，开发了数据侦听器硬件设备，提出了可重构的协议报文描述方法，进而实现了开放式协议报文解析和时序特性分析，获得直观的解析结果，弥补了现有技术的缺陷。本文在分析工业以太网EtherCAT类现场总线通信特点的基础上，开发了一套工业以太网侦听解析系统，重点研究了系统实现的关键技术。主要研究内容如下：介绍了工业以太网现场总线的发展和EtherCAT技术，总结了工业以太网EtherCAT类现场总线的共同技术特征。阐述了国内外以太网侦听、解析技术领域的研究现状，着重讨论了协议报文解析规则开放性的类型划分和实现方式，汇总分析了各种描述协议报文的技术和方法。开发了基于FPGA的工业以太网数据侦听器。分析了数据侦听器的特点和优势，重点描述了系统设计方案，包括系统结构、工作模式、PCB电路设计的要点、Probe帧结构以及FPGA的逻辑功能实现方法等。通过试验测试，验证了数据侦听器的功能和性能。介绍了协议报文解析的理论基础，提出了一种基于XML的工业以太网协议报文可重构描述方法，详细阐述了描述方法的关键技术和主要语法规则，实现了多类型、多层次协议报文解析规则的描述。设计开发了一种开放式工业以太网协议报文解析软件。使用完全开放的协议接口，具有灵活的协议解析规则配置方式以及图形化的协议报文解析结果显示功能。阐述了软件系统的整体分层架构，依次描述了各层关键模块的技术要点以及涉及到的设计模式，最后利用模块复用构建了相关辅助工具。设计开发了一种工业以太网时序特性分析系统，系统由时序分析仪软件和数据侦听器共同组成。重点分析了时序参数的算法以及时序分析系统的离线分析和过滤等功能，阐述了时序分析仪软件的关键技术、操作流程和辅助功能，最终实现了工业以太网延迟、周期抖动等时序参数的测量、计算和图形化显示。综合应用了由数据侦听器、协议报文解析软件和时序分析仪组成的工业以太网侦听解析系统，完成了对EtherCAT、NCUC-Bus、FED、TCP/IP协议族和Pad-NC通信系统的协议解析试验和应用，验证了该侦听解析系统的特点和技术优势。最后，全面总结了论文所完成的工作，指出了其中的不足之处，为未来进一步的深入研究进行了展望。