摘 要

EtherCAT 是開(kāi)放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。EtherCAT 具有高性能、低成本、容易使用等特點(diǎn)，目前在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Zynq-7000 是賽靈思公司（Xilinx）推出的行業(yè)第一個(gè)全可編程 SoC 產(chǎn)品, 它將雙核 ARM Cortex-A9 處理器，低功耗可編程邏輯以及常用的外設(shè)緊密集成在一起。ZedBoard 是基于 XC7Z020 器件的低成本開(kāi)發(fā)板，此板可以運(yùn)行基于 Linux，Android，WinCE 或其他嵌入式 OS/ RTOS 的設(shè)計(jì)。

KPA EtherCAT 主站是一套質(zhì)量穩(wěn)定、知名度和性價(jià)比較高的 EtherCAT 協(xié)議棧，有較大參考價(jià)值。本文將介紹 KPA EtherCAT 主站在 Zynq 平臺(tái)的移植與測(cè)試。

目錄

第一節(jié)EtherCAT 簡(jiǎn)介

第二節(jié)KPA EtherCAT 軟件包簡(jiǎn)介和使用

第三節(jié)KPA EtherCAT 主站簡(jiǎn)介和移植

第四節(jié)EtherCAT 主站程序測(cè)試

第五節(jié)EtherCAT 測(cè)試程序分析

第六節(jié)主站開(kāi)發(fā)包申請(qǐng)?jiān)囉?/p>

１EtherCAT 簡(jiǎn)介

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)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(cè)性定時(shí)及高精度同步等特點(diǎn)。這個(gè)開(kāi)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(dòng)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)。

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(guò) PDO（過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）來(lái)傳輸，PDO 優(yōu)先級(jí)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(duì)象字典等則通過(guò) SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）來(lái)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(lái)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(guò)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(chǎng)總線存儲(chǔ)管理單元），F(xiàn)MMU 會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)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(huì)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(guò)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(guò)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

２EtherCAT 主從站軟硬件簡(jiǎn)介

2.１KPAEtherCAT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(wèn)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(tái)和OS的現(xiàn)成開(kāi)發(fā)包，支持SoC（ARM+FPGA）/ARM/X86 /PowerPC等主流硬件平臺(tái)，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(kāi)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(tái)。每個(gè)模塊可以單獨(dú)定制化或者二次開(kāi)發(fā)，而且不會(huì)破壞其他模塊的完整性。主站結(jié)構(gòu)如圖3

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(guò)程任務(wù)端順利訪問(wèn)主站功能函數(shù)；與主站通過(guò)Remote Procedure Calls服務(wù)交互，提供了TCP/IP以及UDP連接，比如：通過(guò)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(duì)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(guò)程映像模塊：Process Image簡(jiǎn)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(dòng)生成。從控制/過(guò)程任務(wù)訪問(wèn)過(guò)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(guò)補(bǔ)償編譯和漂移時(shí)間來(lái)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(dòng)。

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(dòng)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(jiàn)圖4：PC端、Zedboard主站開(kāi)發(fā)板以及外擴(kuò)的FMC網(wǎng)卡。PC通過(guò)串口終端來(lái)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(guò)RPC服務(wù)連接Zedboard主站板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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http://zedboard.org/product/zedboard。

圖 4：硬件架構(gòu)圖

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(dòng)，主站開(kāi)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(duì)EtherCAT優(yōu)化的MAC，提供了針對(duì)EtherCAT優(yōu)化的NIC驅(qū)動(dòng)，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(dòng)，從而優(yōu)化了數(shù)據(jù)在收發(fā)時(shí)的抖動(dòng)的問(wèn)題。

３KPA EtherCAT 主站移植

本方案基于Zynq平臺(tái)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(jí)最低的任務(wù)來(lái)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(lái)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http://www.xilinx.com/support/download/index.html/content/xilinx/en/downloadNav/embedded-design-tools.html

3.2Vivado 的下載安裝

Vivado主要是用來(lái)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

http://www.xilinx.com/support/download/index.html/content/xilinx/en/downloadNav/embedded-design-tools.html

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x(chóng)enomai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：http://download.gna.org/xenomai/stable/xenomai-2.6.3.tar.bz2

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》：http://www.wiki.xilinx.com/Xenomai+for+Zynq

3.4Linux 內(nèi)核編譯

當(dāng)xenomai補(bǔ)丁打好后，即可開(kāi)始編譯linux內(nèi)核

圖 6：Uboot編譯

3.5下載源代碼

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(tái)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”。

從xilinx網(wǎng)上下載arm_ramdisk.image.gz文件。

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

3.8設(shè)備樹(shù)編譯

設(shè)備樹(shù)的編譯方法參考文檔。

3.9KPA NIC 模塊

直接用的KPA的“kpa_mac.ko文件”。

KPA這部分不用去動(dòng)，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(shù)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(lái)產(chǎn)生bitstream文件。

圖 7：生成bitstream文件

3.11Xilinx SDK 生成 FSBL

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(dòng)生成的的boot.bif四合一打包生成的一個(gè)啟動(dòng)文件。BOOT.BIN下一節(jié)會(huì)放到SD卡中，作用主要是初始化zedboard硬件和加載linux內(nèi)核。

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。

圖 10：SD卡分區(qū)

然后將前面準(zhǔn)備的BOOT.BIN文件，設(shè)備樹(shù)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；

圖 11：SD卡中Master內(nèi)容

Xenomai：xenomai依賴的一些庫(kù)文件，這個(gè)可以官網(wǎng)下載xenomai對(duì)應(yīng)的版本如2.6.3。然后在根目錄下make后會(huì)生成這個(gè)庫(kù)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(dòng)。

如下圖：

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(cè)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括三個(gè)組成部分:待測(cè)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(dòng)器MADHT系列。測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)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:

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(kāi)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(huì)交給離線數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理和分析。

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）

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）：

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

表 1：EtherCAT數(shù)據(jù)測(cè)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(tái)的主站設(shè)計(jì)方案circle time完全可以做到250us級(jí)別，帶兩軸從站的情況下加DC功能，基本沒(méi)有抖動(dòng)存在，但是不帶DC的話，周期時(shí)間不穩(wěn)定，抖動(dòng)也相對(duì)較大。

5 EtherCAT 測(cè)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(cè)試，本文作者基于01異步模式進(jìn)行測(cè)試程序的分析

圖 17：KPA開(kāi)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(zhǎng)度。

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

圖 20：加載RPC遠(yuǎn)程調(diào)試功能

（3）切換主站狀態(tài)

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

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。