一、项目背景

某智能制造企业正在建设一条高精度装配生产线，系统架构采用“工控机+西门子S7-1200系列PLC”模式，其中工控机负责调度算法、人机交互与数据分析，PLC执行底层运动控制与I/O操作。两者之间需实现高速、低延迟的数据交互。为提升通信效率，项目选用了稳联技术的PCIe-NET板卡作为工控机端的工业以太网接口解决方案。该板卡通过PCIe插槽接入工控机，内置Wone-SV1模块，支持将标准PCIe以太网协议转换为PROFINET协议，从而实现与西门子PLC的无缝对接。

然而，在系统调试阶段发现部分控制指令存在轻微滞后现象，怀疑通信链路中存在不可忽视的延迟。为此，技术团队决定对PCIe-NET板卡进行专项延迟测试，明确其内部转换时延特性，为系统调优提供依据。

二、测试原理与方案设计

根据《PCIe卡延迟测试报告（20240515）》文档提供的测试方法，本次实验采用双向报文时间戳比对法，结合Wireshark抓包工具与上位机Demo程序，精确测量数据在不同方向上的传输延迟。

测试拓扑如下：

工控机 → PCIe-NET板卡 ↔ 网管型交换机 ← 抓包电脑（运行Wireshark）
同时，PLC通过RJ45连接至同一交换机，构成完整的PROFINET通信环路。

测试分为两个方向：

1. 输入方向（工控机 → PLC）：工控机通过VS2019编写的Demo程序发送自增数据包，经PCIe-NET板卡转换为PROFINET报文发送给PLC；

2. 输出方向（PLC → 工控机）：在TIA Portal（博图）中修改PLC输出变量，生成响应报文，反向传回工控机。

通过分析Wireshark捕获的以太网帧与PROFINET帧之间的时间差，即可得出板卡内部的协议转换延迟。

三、测试实施与数据分析

在Windows平台运行VS2019 Demo程序，代码中设置u8Me2PLC[0]++实现每毫秒递增一个字节的数据发送，并调用JYBusWriteCyclicData函数周期性写入。与此同时，PLC侧配置为循环读取输入缓冲区，并通过修改Q寄存器触发反向应答。

抓包结果显示：

1. 在输入方向，从工控机发出PCIe以太网报文到Wone模块发出对应的PROFINET报文，平均时间间隔为1.0ms；

2. 在输出方向，从PLC发出PROFINET报文到Wone模块将其转换并转发为PCIe以太网报文返回工控机，平均延迟为2.5ms。

多次重复测试结果稳定，波动范围小于±0.2ms，表明该板卡具有良好的时序一致性。进一步分析可知，输出方向延迟较高可能源于Wone模块内部的任务调度优先级或中断处理机制导致的短暂排队。

四、结论与应用价值

本次测试验证了PCIe-NET板卡的实际性能参数：

1. 下行延迟（Host→PLC）：约1ms

2. 上行延迟（PLC→Host）：约2.5ms

这一数据为企业后续系统优化提供了重要参考。例如，在设计闭环控制算法时，可将总往返延迟预估为3.5ms，并据此调整采样周期与预测补偿策略；在多轴同步控制中，也可利用该固定延迟进行时间对齐校正。

此外，测试过程中构建的等效结构模型——即用外部以太网卡替代PCIe桥接芯片进行仿真测试的方法，也为同类嵌入式通信设备的非侵入式测试提供了可复用的技术路径。

1. 首先， 介绍一下 PCIe 卡的内部结构， 如下图：

1. 该板卡通过 PCIe 接口接入工控机中，安装 PCIe 驱动后， 表现为标准以太网。板卡通过以太 网和工控机（app）通信。

1.2、该板卡通过板载的 Wone 板卡，将与工控机连接的内部以太网转换为标准工业以太网， 比如： PROFINET。

其工作时的连接关系如下图所示：

1.3、以下图为等效结构示意图，该等效图是为了方便测试板卡内部时延而设计的，通过将板卡上 的 PCIe 转以太网芯片， 替代为一样的 PCIe 转以太网板卡， 来等效处理。

以下图为接入了抓包设备（网管型以太网交换机） 的测试连接示意图：

测试过程描述：

1. Windows 平台上采用 VS2019demo 示例， 该 demo 可通过以太网（NPCAP）与 PCIe 板 卡进行通信；

2. Demo 中将输入数据（设备发送给 PLC 的数据）， 自增，用于后续的延迟观测， 如下图：

3. 在安装 wireshark 的抓包电脑上，通过报文（找到自增） 的对应关系来确定板卡内部的 转换延迟， 如下图：

从 PCIe 以太网报文发出（工控机电脑发出）到 PN 报文发出（Wone 发出）的时间延迟 为 1ms；

4. 通过博图， 在线 PLC，改变输出数据（PLC 给设备的数据）， 用于后续的延迟观测， 如下 图： 修改博图中的输出数据（发给工控机的数据）

5. 在安装 wireshark 的抓包电脑上，通过报文（找到自增） 的对应关系来确定板卡内部的 转换延迟， 如下图：

从西门子 PLC PROFINET 报文发出（PLC 发出到 Wone）到 PCIe 以太网报文发出（Wone 发出到工控机） 的时间延迟为 2.5ms；

6. 多次测试， 可以得出输入方向（PCIe 到 PROFINET）的内部转换延迟在 1ms 左右， 输出 方向（PROFINET 到 PCIe）的内部转换延迟在 2.5ms 左右；PEIe-NET 板卡， 其内部转换延迟， 输入方向（工控机到PLC） 为 1ms，输出方向（PLC 到 工控机） 为 2.5ms。

原始报文截图：

五、总结

本案例充分体现了在复杂工业系统中，对硬件通信延迟进行精细化测量的重要性。借助标准化测试流程与专业工具，不仅能够准确识别瓶颈环节，还能增强系统集成的信心。稳联技术提供的这份详实测试报告，不仅展示了其产品的透明度与专业性，也为企业用户实现精准控制、提升产线效能奠定了坚实基础。

未来，随着时间敏感网络（TSN）等新技术的发展，此类低延迟通信模块将在智能工厂中发挥更加核心的作用。而建立完善的测试体系，将持续成为保障工业实时性的关键技术支撑。