[实用新型]一种可配置式工业以太网数据解析系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种可配置式工业以太网数据解析系统，主要应用于工业以太网测试技术领域，具体指利用现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array,FPGA)开发网络数据监听器实时捕获工业以太网数据并添加标识、时间戳、端口号、流水号等信息，然后通过以太网接口将数据传输到PC上位机，上位机根据由各节点的应用层设备描述文件生成的网络模型和监听器添加的有效信息对以太网数据进行解析并分析被测以太网的多种性能。

背景技术

工业以太网是以太网技术在工业领域的应用，由于其在性能、成本等多方面的优势，现已逐渐取代传统的现场总线成为工业现场通信的主流技术。相比于普通以太网的TCP/IP或者OSI分层结构，工业以太网的体系精简为物理层、数据链路层、应用层三层结构，仍然遵循IEEE802.3标准，并通过多种方法保证实时性。应用层是工业以太网的最高层，目前主要的应用层协议有CANopen、SERCOS等。工业以太网中的每个节点在应用层都有一个对应的应用层硬件设备描述信息，详细描述了该节点的数据传输格式和传输规则等内容。

目前基于Windows或Linux系统的网络数据解析软件功能丰富，可以解析多种以太网数据信息，但是无法直观解析网络的各个节点的数据信息；由于硬件平台和操作系统的限制，其捕获的数据包的时间戳最大精度仅能达到10μs，这不能满足工业以太网对时间性的要求。基于PC的商业工业以太网数据监听分析器主要采用PCI接口的通信方式与主机连接，硬件插拔不够便捷，需要配合特定的驱动程序才能使用，并且可解析的网络协议受限于硬件内部程序，拓展性不强。

实用新型内容

针对工业以太网的种类多样性和强实时性的特点，本实用新型提供了一种低成本、可配置且硬件连接便捷的一种基于设备描述文件的可配置式工业以太网数据解析系统，该系统可解析网络中各节点的数据信息和网络中多点数据到达的时间，时间精度可达到ns级，并根据监听器捕获给上位机的信息分析被测试工业以太网的负载率、通讯周期、时间同步精度、抖动、误码率和丢包率等重要性能指标。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种可配置式工业以太网数据解析系统，如图1所示，包括下位机和上位机，下位机包括基于FPGA开发的工业以太网数据监听器，上位机包括带有标准网卡的PC。

所述下位机的方案为：

基于FPGA开发的工业以太网数据监听器具有多个用于传输数据的以太网接口，该网口可以分为两种，一种是负责向PC上位机上传数据的网口，称为上传数据网口；另一种网口规定两个为一组，网络数据由一个网口流入并立即由另一个网口流出，并将数据全部存储下来，称为监听网口。数据监听和上传过程如下，可参考图2：

第一步，网络数据经过网络监听器的一个网口流入，并立刻由另一个网口流回网络中。

第二步，FPGA捕捉数据并添加标识、时间戳、端口号、流水号等信息，作为分析网络性能的重要指标。

第三步，将监听到的网络数据和添加的信息组成新的数据帧，并重新进行CRC校验计算，经过上传数据网口发送到PC上位机。

数据帧时间戳信息以FPGA内部绝对时间为参考，FPGA内部时间为上电启动后时间寄存器以系统时钟作为触发源的累加值。数据帧到达时间以以太网帧前导符到达为触发信号，由FPGA精确锁定该时刻的时间。该时间精度根据硬件所选晶振频率大小不同而不同，可实现ns级精度。

由网络数据监听器控制向上位机发送数据的频率，该频率较工业以太网的数据通信频率有所降低以适应上位机响应速度。上位机采用普通的windows或linux系统即可捕捉和解析全部的工业以太网网络数据包，并分析其性能。

上位机可以对捕获的网络中多点数据的信息进行相关的分析，可以得出节点的数据传输延迟时间、同步精度、误码率、丢包率等性能。

所述上位机的方案为：

上位机包括网络模型生成器、数据包解析器和数据映射器等。各部分相互协作，组成一个可配置的工业以太网数据分析系统。

网络模型生成器，可以根据各节点的应用层设备描述文件生成一种描述当前网络的网络模型文件。

数据包解析器，具有捕捉数据包并保存读取的功能和解析网络数据包的功能，通过对从网口捕获到的数据解析，获得网络原始数据和时间戳、流水号等信息。