1、EtherCAT 簡介

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技技）是一種用于確定性以太網(wǎng)的高性能工業(yè)通信協(xié)議，它擴(kuò)展了 IEEE 802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)傳輸中具有可預(yù)測性定時(shí)及高精度同步等特點(diǎn)。這個(gè)開放性標(biāo) 準(zhǔn)作為 IEC 61158 的組成部分，常用于機(jī)械設(shè)計(jì)及運(yùn)動控制等應(yīng)用中。EtherCAT 采用標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802-3 以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖 1。EtherCAT 協(xié)議直接用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的幀格式傳輸數(shù)據(jù)，并不修改其基本結(jié)構(gòu)。

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圖 1： EtherCAT 數(shù)據(jù)幀

EtherCAT 實(shí)現(xiàn)了 CANopen 協(xié)議，在 CANopen 中周期性的數(shù)據(jù)通過 PDO（過程數(shù)據(jù)對象）來傳輸，PDO 優(yōu)先級較高，可用于實(shí)時(shí)傳輸。非周期性的數(shù)據(jù)比如配置參數(shù)和對象字典等則通過 SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對象）來傳輸。

每個(gè) PDO 都包含單個(gè)或多個(gè)從設(shè)備的地址，這種數(shù)據(jù)加地址的結(jié)構(gòu)（附帶用于校驗(yàn)的傳輸計(jì)數(shù)位）組成了 EtherCAT 的報(bào)文。每個(gè) Ethernet 幀可能包含數(shù)個(gè)報(bào)文，而一個(gè)周期中可能需要多幀來傳送所需的所有報(bào)文。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信解決方案從站先接受以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后解釋和復(fù)制過程數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而EtherCAT 以太網(wǎng)幀在特殊的硬件模塊的幫助下可以實(shí)現(xiàn)在傳輸?shù)耐瑫r(shí)被處理。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)都有 FMMU（現(xiàn)場總線存儲管理單元），F(xiàn)MMU 會對經(jīng)過的數(shù)據(jù)包進(jìn)行地址分析，發(fā)現(xiàn)是本節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)就會讀取，同時(shí)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)設(shè)備。同樣在報(bào)文通過的時(shí)候也可以插入需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。讀取/插入/轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的整個(gè)過程，報(bào)文只有幾納秒的延遲。如圖 2 所示，設(shè)想以太網(wǎng)的幀就像行駛中的火車，EtherCAT 報(bào)文是每節(jié)火車車廂，PDO 數(shù)據(jù)的比特就是車廂內(nèi)的乘客，這些數(shù)據(jù)可以被提取并插入到合適的從設(shè)備中。整輛火車不停止地穿越所有從設(shè)備，在末端從設(shè)備處又掉頭，重新反向穿越所有從設(shè)備。（注：EtherCAT不僅支持主從通訊，也支持從從通訊即S2S）

圖 2： EtherCAT 數(shù)據(jù)傳輸

2、EtherCAT 主從站軟硬件簡介

2.１KPA　EtherCAT　主站軟件介紹
KPA EtherCAT主站軟件根據(jù)功能不同，提供了Basic，Standard，Premium以及Extension四個(gè)版本主站協(xié)議棧，因此除了支持ETG1500定義了Class A和Class B兩種主站類型外，KPA還支持一些拓展功能比如：Data- and Frame-Logger（記錄數(shù)據(jù)和報(bào)文）、Access Rights（設(shè)置不同的訪問權(quán)限）Multi Master（多主站，冗余）、Cable Redundancy （線纜冗余）、Hot-Connect（熱插拔）、其他。

提供了基于多種不同硬件平臺和OS的現(xiàn)成開發(fā)包，支持SoC（ARM+FPGA）/ARM/X86 /PowerPC等主流硬件平臺，支持Linux（Xenomai/RT-preempt）/ Windows(INtime/RTX)/ QNX/ Ucos/ Vxworks等。幾乎滿足目前所有用戶主站開發(fā)要求的一款主站方案。

KPA主站協(xié)議棧采用模塊化的架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)特殊的項(xiàng)目應(yīng)用。它使得主站可以自由擴(kuò)展以適應(yīng)不同大小的應(yīng)用程序、可以移植不同的操作系統(tǒng)和各種各樣的硬件平臺。每個(gè)模塊可以單獨(dú)定制化或者二次開發(fā)，而且不會破壞其他模塊的完整性。主站結(jié)構(gòu)如圖3

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圖 3： KPA EtherCAT主站構(gòu)架

KPA主要功能模塊為：
1) 應(yīng)用層：應(yīng)用層負(fù)責(zé)與各種不同的編程/配置環(huán)境交互，負(fù)責(zé)與不同的應(yīng)用或設(shè)備交互。確保在應(yīng)用或過程任務(wù)端順利訪問主站功能函數(shù)；與主站通過Remote Procedure Calls服務(wù)交互，提供了TCP/IP以及UDP連接，比如：通過UDP與從站設(shè)備進(jìn)行mailbox相關(guān)的通訊。

2) Mailbox Module：EtherCAT主站核心mailbox模塊利用不同的協(xié)議處理服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDP），數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)交換。支持CoE,FoE，EoE，SoE,VoE，AoE等郵箱服務(wù)。

3) Process Image Module過程映像模塊：Process Image簡稱PI，它的地址是由EtherCAT network information (ENI) 文件提出的，ENI文件可由配置工具KPA Studio自動生成。從控制/過程任務(wù)訪問過程映像是由主站接口執(zhí)行的。

4) Distribution Clock分布時(shí)鐘模塊：使得所有的EtherCAT設(shè)備（包括主站和從站）總是能夠共享相同的EtherCAT系統(tǒng)時(shí)間。這是通過補(bǔ)償編譯和漂移時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。

5) Frame Schedule Module幀調(diào)度模塊：不同PDO采用不同的掃描周期。在配置工具KPA Studio里，用戶可以單獨(dú)定義每個(gè)從站的掃描速率。幀調(diào)度表模塊管理EtherCAT幀速率，轉(zhuǎn)發(fā)它們到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。

6) OSAL操作系統(tǒng)抽象層模塊：包含與操作系統(tǒng)相關(guān)的功能函數(shù)的包裝，比如處理線程、計(jì)時(shí)器、互斥量等；包括網(wǎng)絡(luò)適配驅(qū)動器模塊：從底層的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)提取主站堆棧的core核心

2.2KPA EtherCAT 主站硬件介紹
主站硬件主要由三部分組成見圖4：PC端、Zedboard主站開發(fā)板以及外擴(kuò)的FMC網(wǎng)卡。PC通過串口終端來實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)指令輸入，PC端上的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)診斷配置工具KPA EtherCAT Studio通過RPC服務(wù)連接Zedboard主站板，可以實(shí)現(xiàn)對主站和從站的配置，掃描生成網(wǎng)絡(luò)配置文件。Zedboard作為EtherCAT主站板具體可參考 。

圖 4：硬件架構(gòu)圖

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圖 5：硬件內(nèi)部架構(gòu)

另外，KPA利用主站板的FPGA資源，獨(dú)立外擴(kuò)網(wǎng)卡，而不是使用主站板ARM上的網(wǎng)卡驅(qū)動，主站開發(fā)包中提供的Timer IP Core和NIC IPCore，利用邏輯單元PL，構(gòu)建針對EtherCAT優(yōu)化的MAC，提供了針對EtherCAT優(yōu)化的NIC驅(qū)動，IP Core提供了Shift Sending Time設(shè)置，從端口降低有操作系統(tǒng)引起的數(shù)據(jù)幀抖動，從而優(yōu)化了數(shù)據(jù)在收發(fā)時(shí)的抖動的問題。

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３、KPA EtherCAT 主站移植

本方案基于Zynq平臺的EtherCAT主站實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用改進(jìn)后的實(shí)時(shí)linux系統(tǒng)，即在標(biāo)準(zhǔn)的linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中嵌套進(jìn)一個(gè)微小、實(shí)時(shí)內(nèi)核，改造成具有雙內(nèi)核的異構(gòu)系統(tǒng)，所有實(shí)時(shí)任務(wù)都運(yùn)行在微內(nèi)核上,非實(shí)時(shí)的Linux 則作為實(shí)時(shí)內(nèi)核的一項(xiàng)優(yōu)先級最低的任務(wù)來托管所有的非實(shí)時(shí)任務(wù)，采用Linux3.8.13和Xenomai2.6.3，下面介紹怎么搭建Zedboard主站。

3.1Vivado 與 Xilinx SDK 工具安裝
我們主要用到SDK里的交叉編譯器，以及用它來生成FSBL與BOOT.BIN文件。
我分別在ubuntu和windows上都安裝了xilinx的SDK。其中windows上的xilinx SDK不需要單獨(dú)安裝，等在安裝Vivado的時(shí)候勾選下就可以了。 Ubuntu上的xilinx SDK安裝文件網(wǎng)址是

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3.2Vivado 的下載安裝
Vivado主要是用來配置xilinx的FPGA外設(shè)的，后面生成bitstream文件時(shí)需要用，以及我們更改SOC里的外設(shè)引腳配置以及配置管腳等等時(shí)是需要用到。Vivado的下載地址
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3.3給 Linux 內(nèi)核代碼打 Xenomai 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁
zedboard上運(yùn)行的linux內(nèi)核可不是普通的linux內(nèi)核源碼，而是打了xenomai補(bǔ)丁的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。需要先給linux源碼打上xenomai補(bǔ)丁后方可編譯
Linux源碼下載： https://github.com/Xilinx/linux-xlnx.git
Xenomai安裝包下載：
給linux內(nèi)核代碼打xenomai實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，可以參看xilinx的官方文檔《Xenomai for Zynq》： +for+Zynq

3.4Linux 內(nèi)核編譯
當(dāng)xenomai補(bǔ)丁打好后，即可開始編譯linux內(nèi)核

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圖 6：Uboot編譯

具體的ubuntu編譯方法和編譯kernel大同小異，可以參考這篇文章： +U-Boot

3.5下載源代碼
Uboot的源碼下載地址是： https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx.git

3.6編譯 U-Boot
命令是$make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- zynq_zed
可以看看u-boot源碼文件夾目錄下的boards.cfg文件。里面有各種平臺的配置表。將編譯好的u-boot文件改名為u-boot.elf文件。我們生存boot.bin時(shí)要用它

3.7文件系統(tǒng)編譯
現(xiàn)在直接用的xilinx和KPA官方提供給我的文件系統(tǒng)“uramdisk.image.gz”。
參考文檔： +and+Modify+a+Rootfs
從xilinx網(wǎng)上下載arm_ramdisk.image.gz文件。下載地址如下。

這個(gè)文件是xilinx提供給我們做模板用的。可以把它解壓開，然后在它基礎(chǔ)上改改，再打包，就能用的。

3.8設(shè)備樹編譯
設(shè)備樹的編譯方法參考文檔， +Device+Tree+Blob 。

3.9KPA NIC 模塊
直接用的KPA的“kpa_mac.ko文件”。
KPA這部分不用去動，現(xiàn)在也不用改，這部分文件放在我們SD卡的第二分區(qū)了即可。然后設(shè)備樹上加上mac的配置部分即可。

3.10Vivado 生成 bitstream 文件
基于kpa給的Vivado工程“zedboard_redundancy”和兩個(gè)ipcore，來產(chǎn)生bitstream文件。

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圖 7：生成bitstream文件

3.11Xilinx SDK 生成 FSBL

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圖 8：生成的FSBL

3.12制作 BOOT.BIN 文件
利用xilinx SDK，看到，BOOT.BIN文件其實(shí)是將U-boot，Vivado生成的Bitstream文件，SDK生成的FSBL文件以及SDK自動生成的的boot.bif四合一打包生成的一個(gè)啟動文件。BOOT.BIN下一節(jié)會放到SD卡中，作用主要是初始化zedboard硬件和加載linux內(nèi)核。

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圖 9：生成BOOT.BIN文件

3.13燒錄 SD 卡
在ubuntu環(huán)境下，將一張4G的SD卡格式化為兩分區(qū)，第一分區(qū)1.1G為FAT格式；第二分區(qū)為2.9G為Ext4格式。

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圖 10：SD卡分區(qū)

然后將前面準(zhǔn)備的BOOT.BIN文件，設(shè)備樹文件devicetree.dtb，文件系統(tǒng)文件uramdisk.image.gz文件，linux內(nèi)核鏡像uImage這四個(gè)文件拷貝到第一分區(qū)。不難看出第一分區(qū)全部是和操作系統(tǒng)相關(guān)的文件。第二分區(qū)里則是三個(gè)文件，全由KPA提供Master: KPA的EtherCat主站相關(guān)的所有文件；

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圖 11：SD卡中Master內(nèi)容

Xenomai：xenomai依賴的一些庫文件，這個(gè)可以官網(wǎng)下載xenomai對應(yīng)的版本如2.6.3。然后在根目錄下make后會生成這個(gè)庫文件。
Mod：該文件夾下則主要是kpa_mac.ko，也就是KPA提供的那個(gè)網(wǎng)卡驅(qū)動。
如下圖：

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圖 12：SD卡中Xenomai文件

到此SD卡也做成了。SD卡插到板子上既可以運(yùn)行了。

4、EtherCAT 主站程序測試

實(shí)驗(yàn)平臺包括三個(gè)組成部分:待測試的EtherCAT系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取單元和離線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析單元,如下圖所示。主站為構(gòu)建的嵌入式實(shí)時(shí)EtherCAT 主站,從站為兩套松下交流伺服驅(qū)動器MADHT系列。測試的內(nèi)容為在周期時(shí)間為250us下，帶DC功能和不帶DC功能的測試數(shù)據(jù)對比。

4.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取單元
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取單元采用的是虹科的網(wǎng)絡(luò)分析儀Profishark 100M或Profishark 1G,兩個(gè)網(wǎng)口為標(biāo)準(zhǔn)的100M/1Gbps 以太網(wǎng)接口。支持單獨(dú)捕獲上行和下行數(shù)據(jù),并且可以將捕獲的數(shù)據(jù)包供Wireshark /Profishark Manager等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。此外,它捕獲數(shù)據(jù)包時(shí)間戳的分辨率可以達(dá)到5ns,保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，如下圖:

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圖 13：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)單元示意圖

4.2離線數(shù)據(jù)分析單元
離線數(shù)據(jù)分析單元是由PC 機(jī)運(yùn)行開源軟件Wireshark 實(shí)現(xiàn)的,在實(shí)驗(yàn)的最后,所有捕獲的的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都會交給離線數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理和分析。

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圖 14：EtherCAT網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)圖

利用wireshark分別抓取數(shù)據(jù)（帶DC）

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圖 15：基于Wireshark的EtherCAT數(shù)據(jù)幀（含DC）

利用wireshark分別抓取數(shù)據(jù)（不帶DC）：

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圖 16：基于Wireshark的EtherCAT數(shù)據(jù)幀（含DC）

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表 1：EtherCAT數(shù)據(jù)測試結(jié)果 單位：us（統(tǒng)計(jì)至個(gè)位）

總結(jié)：

可以看出，基于Zynq平臺的主站設(shè)計(jì)方案circle time完全可以做到250us級別，帶兩軸從站的情況下加DC功能，基本沒有抖動存在，但是不帶DC的話，周期時(shí)間不穩(wěn)定，抖動也相對較大。

5、EtherCAT 測試程序分析

KPA EtherCAT主站協(xié)議棧提供了多種功能的程序模板如下，包括ETG協(xié)議規(guī)定的幾種模式，寫應(yīng)用時(shí)，可以在這些代碼模板上進(jìn)行編程測試，本文作者基于01異步模式進(jìn)行測試程序的分析。

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圖 17：KPA開發(fā)包的功能模塊（部分）

5.1利用 KPA Studio 掃描網(wǎng)絡(luò)
先掃描從站信息，利用KPA Studio導(dǎo)出從從站信息的頭文件，定義了從站地址，數(shù)據(jù)長度。

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圖 18：KPA Studio掃描從站頭文件

5.2Main 函數(shù)重要部分介紹
（1）main函數(shù)里面，首先主站初始化。包括獲取網(wǎng)卡，指定網(wǎng)絡(luò)配置文件路徑，設(shè)置周期時(shí)間，等操作

圖 19：Main函數(shù)中的主站初始化部分

（2）加載PRC服務(wù)功能，方便利用KPA Studio進(jìn)行調(diào)試

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圖 20：加載RPC遠(yuǎn)程調(diào)試功能

（3）切換主站狀態(tài)

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圖 21：切換主站狀態(tài)

（4）設(shè)置控制字，進(jìn)行PI數(shù)據(jù)的讀寫，從而控制從站

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圖 22：讀寫PI

其中數(shù)據(jù)的讀取都要遵循先調(diào)用EcatStartReadInputs/EcatDoneWriteOutputs 函數(shù)，獲取輸入輸出PI，中間再調(diào)用EcatSetVariable進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，最后再調(diào)用EcatDoneWriteOutputs獲取數(shù)據(jù)讀寫的應(yīng)答，結(jié)束讀寫。

6、主站開發(fā)包申請?jiān)囉?/strong>