3 具有最小延时的确定性实时通信

图 3-1 显示了影响机器人系统实时性能的延时和抖动，需要对其量化以确保实现必要的计时性能。

量化抖动和延时性能定义了机器人控制移动的最大加速度和速度。必须在每个物理层 (PHY) 上进行测试，以确定抖动和延时性能。通过这些测试的结果，可以了解潜在的接口更改可能对系统性能产生的时序影响。

因此，设计人员必须了解协议的最后期限要求，由此可以通过测量该接口的抖动和延时来轻松确定所选的 PHY 是否能够满足所需要求。

物理层确定性的量化也会影响所选的工业协议。迄今为止，尚未最终确定可在 SPE PHY 层上使用的通用工业协议。相反，设计人员必须开发专有系统或使用尚未标准化的协议，从而导致产品开发时间和风险增加。人们正在不断努力解决在工业环境中采用 SPE 的这一障碍，并且市场上已经有使用该技术的系统。

为了量化和评估单对双绞线 PHY 的确定性性能，我们设计了一种测试设置来执行这些测量。该测试旨在对菊花链工业系统进行仿真，其中添加了测试点以简化 TX_CTRL 和 RX_CTRL MII 信号的测量。图 3-2 展示了系统测试设置。

主机传输并定义发送到电缆上的以太网数据包。子系统 1 构建为中继器功能，可将数据包转发至下一块电路板。子系统 N 构建为环回功能，用于接收以太网数据包并将数据包传回同一根电缆。

需要使用这些模块来模拟工业菊花链系统，该系统通常用于 EtherCAT、简单开放实时以太网 (SORTE)、Profinet 等工业协议。

每个模块都有两个以太网 PHY（PHY1 和 PHY2），这会增加数据包传输的延时。图 3-3 说明了此延时的影响因素。

图 3-3 显示了这些 PHY 和 MAC 如何影响延时。每个影响因素的编号依次为 (i) 到 (iii)。图 3-4 说明了如何将这些带编号的延时与图 3-2 中的子系统相关联。

图 3-4 中的延时影响显示在一个方向上，对于测量，这意味着主机向子系统 1 发送数据包，该数据包现在位于从子系统 1 发送回主机的 MAC 中。此设置使得在系统级别测量 TI 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 PHY 的周期时间成为可能。在本例中，如前所述，测试期间使用了 0.5m STP 电缆。

以下条件适用于图 3-5 至图 3-7 中所示的屏幕抓图。

• 测量点 1 显示了 PHY1 (i) 和 PHY 2 (iii) 产生的总延时，显示了 PHY 的 RX 和 TX 组合延时。
• 测量点 2 显示了系统 MAC 层产生的延时。
• 测量点 3 显示了 PHY2 (i) 和 PHY 1 (iii) 产生的总延时，显示了 PHY 的 RX 和 TX 组合延时。

图 3-5 显示了 DP83TC812 PHY 的 RGMII 延时和 AM64x Sitara™ 处理器的 MAC 延时。DP83TC812x-Q1 符合 TC-10 标准的 100BASE-T1 汽车以太网 PHY 数据表中也提供了 PHY 延时规格。图 3-6 类似地显示了 DP83TG720 PHY 的 RGMII 延时和 AM64x Sitara 处理器的 MAC 延时。

周期时间还受数据包长度的影响，了解所选 PHY 层上所需的带宽也需要数据包长度。对于测试设置，以太网数据包的定义方式如下：64 字节有效载荷和 12 字节有效载荷开销。除了系统延时之外，还需要考虑数据包长度时间。表 3-1 列出了对图 3-4 中所示系统进行测试所得的测量值。

默认情况下，DP83TG720 会实现用于错误控制编码 (ECC) 和前向纠错 (FEC) 的 Reed Solomon (RS) 编码器。这种编码会明显增加周期延时。有关 Reed Solomon 编码的更多信息，请参阅 Reed Solomon 解码器： TMS320C64x 实现 应用手册。

对于菊花链通信分支上具有 7 到 10 个子系统的机械臂来说，这对于系统性能意味着什么？表 3-2 中的数据是在假设数据包在重新传输之前已完全接收到的情况下获得的。这种比较假设完整的数据包作为半双工数据传输发送，即使 Base-T1 可以支持全双工模式。使用收发器的全双工能力可以改善数据传输的延时；但是，使用 PHY 的这一特性在很大程度上取决于用于实现系统的协议。

表 3-2 中的结果表示 PHY 延时、MAC 延时和数据包长度时间的影响

该示例仅考虑将数据包从主机移动到子系统 10 所需的时间。发送数据包，使其通过所有子系统，然后再返回主机时，要使用 MAC 延时加上 RX (PHY1) 和 TX (PHY2) 延时来定义延时值。该时间会加倍，如表 3-2 的全环回 列中所示。

对于该使用 10 个菊花链子系统的机器人系统，发送一个数据包来回最快为 40.32μs，最慢为 158.92μs。这些时间限制了定义的系统级最大通信时间可达到的范围。

对于使用多达 10 个子系统的机器人，该时间间隔通常足够快，能够实现良好的系统性能。