ethercat-linux/docs/8b-verification-methodology.md

EL6695 8B 双向通讯 — 验证说明文档

版本: 1.1(新增 §7 800B 验证) 日期: 2026-07-27 配套文档: 8b-bridge-design.md(设计)、8b-test-report.md(测试记录)

---

1. 验证目标

证明 TwinCAT PC 与 J1900 之间经 EL6695 桥接的 8 字节过程数据通道满足:

1. 双向连通: TwinCAT → J1900、J1900 → TwinCAT 两个方向都通;
2. 每字节有效: 8 个字节中的每一个都真实参与传输,而非只有个别字节(如计数器低位)在动;
3. 经过软件处理: 回传数据确实经过 J1900 用户态程序的读-算-写,不是硬件环回或透传;
4. 持续稳定: 连续运行无失配、无陈旧数据、无传输错误。

---

2. 为什么朴素方案不足以证明

2.1 失败案例: ULINT 计数器(8B 初版)

最初的 8B 设计直接把 nCycles(ULINT, 小端)拷入 aOut1[0..7],J1900 计算 f(x)=x*7+3 写回。该方案的问题:

字节	内容	变化频率
0	nCycles 低字节	每周期
1		每 256 周期
2		每 65536 周期
3		每 1677 万周期(≈4.6 小时)
4–7	恒为 0	从不变化

结论:这种证据只能证明低 2~3 字节在传输,无法排除"高字节根本没被映射"的可能。用户指出的"不要只改变一个字节就说成功了"正是针对此类证据。

2.2 验证设计必须满足的性质

• 8 个字节互不相同(避免字节间串扰被掩盖);
• 8 个字节每周期全部变化(任何一字节断传都会立即表现为失配);
• 回传是逐字节独立的非平凡变换(证明每字节都被对端软件读取并处理);
• 校验容忍桥接管线延迟(不能假设固定的往返周期数)。

---

3. 验证协议原理

3.1 发送图案(TwinCAT 侧, 1 kHz)

aOut1[i] = (nCycles + i·32) mod 256,  i = 0..7

性质:

• 步进 32、模 256:8 个值在同一周期内互不重叠;
• 每周期整体 +1:8 字节全部随周期变化;
• 以 256 为周期循环:任意 16 个连续 PLC 周期的 8 字节组两两不同(因为 16 < 256),这保证了历史环匹配不会出现跨周期误判。

3.2 J1900 变换

tx[i] = rx[i] XOR 0x5A,  i = 0..7

• 逐字节独立: 第 i 字节的输出只依赖第 i 字节的输入 → 每个字节单独构成一条可检验的证据链;
• 软件才能产生: XOR 0x5A 不是硬件环回会出现的结果,证明数据进入了 J1900 用户态程序并被改写;
• 可逆: TwinCAT 侧用同一常数 XOR 即可还原比较。

3.3 历史环匹配(TwinCAT 侧)

桥接存在约 4 个 PLC 周期的管线延迟(TwinCAT 输出帧 → J1900 处理 → TwinCAT 输入帧)。因此不能用"aIn1 对应当前周期 aOut1"校验。

PLC 每周期把刚发送的 8 字节存入 16 槽历史环:

hW = nCycles mod 16
aHist[hW, 0..7] = aOut1[0..7]

校验时与全部 16 个历史槽做整组比较:

bSync = TRUE  ⟺  ∃h: ∀i∈[0,7]: (aIn1[i] XOR 0x5A) = aHist[h, i]
nMatchLag = (hW − h + 16) mod 16

• 整组匹配: 只有 8 个字节同时等于某一历史周期发送值时才判真 — 任何一个字节出错都会导致失配;
• 延迟自测量: 匹配槽位直接给出往返延迟 nMatchLag,无需预设。

3.4 判读标准

判据	通过条件	实测
bSync	持续 TRUE	✅
nMatchLag	稳定小值(< 16)	✅ 恒为 4
nMismatch	数据流建立后零增长	✅ 24s 窗口内不变
J1900 stale	0%	✅
J1900 tx_err/rx_err	0	✅

---

4. 观测方法与时差说明

4.1 权威判据 vs 采样展示

• 权威判据: PLC 内部 1 kHz 实时执行的 bSync / nMismatch,数据在同一任务周期内一致采样;
• 采样展示: ADS 读 aOut1 / aIn1 / nCycles 是分多次请求完成的,彼此相差可达数毫秒。

因此 ADS 采样中 aIn1 XOR 0x5A 的 byte0 偶尔差 ±1(byte0 每周期变化,而 aOut1 与 aIn1 的快照时刻不同),例如:

aOut1(sent) = 3B-5B-7B-9B-BB-DB-FB-1B
aIn1^5A     = 3A-5A-7A-9A-BA-DA-FA-1A   ← byte0 差 1,其余 7 字节全等

这是观测时差,不是传输错误。当 ADS 两次读落在同一毫秒时,8 字节完全一致:

aOut1(sent) = 98-B8-D8-F8-18-38-58-78
aIn1^5A     = 98-B8-D8-F8-18-38-58-78   ← 8/8 全等

4.2 逐字节验证示例(实测样本)

字节 i	设计公式	发送 aOut1	接收 aIn1	aIn1^0x5A	判定
0	(n+0)·1	98	C2	98	✓
1	n+32	B8	E2	B8	✓
2	n+64	D8	82	D8	✓
3	n+96	F8	A2	F8	✓
4	n+128	18	42	18	✓
5	n+160	38	62	38	✓
6	n+192	58	02	58	✓
7	n+224	78	22	78	✓

---

5. 验证覆盖矩阵

验证点	方法	覆盖
TwinCAT→J1900 方向	J1900 rx_buf 非零统计 + PLC 图案被 J1900 正确还原(能 XOR 回去)	✅
J1900→TwinCAT 方向	aIn1 与历史环整组匹配	✅
字节 0..7 逐一	每字节独立图案 + 独立 XOR	✅
软件处理证明	XOR 0x5A 仅 J1900 用户态可产生	✅
桥接延迟	nMatchLag 自测量(4 周期)	✅
稳定性	nMismatch 零增长、stale=0%、err=0	✅
TwinCAT 配置持久性	激活后 _Boot tszip 中 SM2/SM3 记录检查	✅

6. 已知局限

1. 验证图案为周期性确定图案,未做随机负载压力测试;
2. lag=4 为当前拓扑/周期下的实测值,未验证不同任务周期下的行为;
3. 8B 配置不含诊断 PDO,"对端是否在线"需以数据流本身判断(失配即掉线)。

---

7. 800B 变体的验证方法

800B 工程采用序列号 + 图案 + 反推校验协议(类 1KB),与 8B 的 XOR 历史环不同,原因是 800B 要同时验证"大载荷每个字节"与"序号处理"两个维度。

7.1 协议与验证链

TwinCAT 发送:  aOut1[0..7] = nCycles; aOut1[i] = (nCycles+i) mod 256
               (i ∈ [16..263] ∪ [280..799], 避开 [264..279] 统计字段)
J1900 处理:    tx[0..7] = rx_seq*7+3; tx[8..15] = 本地周期号;
               tx[264..279] = 抖动/失配/原始 seq; 其余字节原样回显
TwinCAT 校验:  nProcessedSeq = aIn1[0..7]
               nReturnedSeq  = (nProcessedSeq - 3) / 7   (MOD 7 = 0 才有效)
               逐字节比对 aIn1[i] == (nReturnedSeq + i) mod 256

• 反推校验:J1900 的 f(x)=x·7+3 可逆,PLC 从回传值反推原始发送周期,无需预设管线延迟(实测 lag=4);
• J1900 侧自检:ticker 对图案区 [16..255] 做 (tc_seq+i) mod 256 独立校验(mism 计数),与 PLC 侧校验互为对侧证据。

7.2 与 8B 方法的取舍

维度	8B(XOR 历史环)	800B(seq+图案反推)
每字节独立性	强(每字节独立 XOR)	中(图案含周期序号,错位立现)
延迟测量	直接(nMatchLag)	直接(nCycles − nReturnedSeq)
大载荷成本	历史环 16×8B 比对/周期	768 字节比对/周期
适合	小载荷通路证明	应用级带宽验证

7.3 ADS 快照判读(800B 特有)

外部 ADS 校验脚本用 nReturnedSeq 重建预期图案时,因 nCycles/nReturnedSeq/aIn1 分次读取,可能出现 nReturnedSeq > nCycles(显示 lag 为负)与全图案"失配"的假象——以 PLC 内部 1kHz 实时计算的 bSync 为唯一权威判据;ADS 全数组读取仅用于非零覆盖率统计(800B 时应 ≈770+/800)。

7.4 800B 稳定性判据

判据	通过条件	实测
J1900 周期完整	周期数 = 时长 × 频率	600000 / 600.0s ✅
J1900 mism	0	✅
PLC nMismatch	运行窗口内零增长	295s 窗口 delta=0;90s 确认 delta=0 ✅
传输错误	tx/rx = 0	✅
非零覆盖率	≈770/800	775–776 ✅