基于Linux平臺(tái)的EtherCAT主站設(shè)計(jì)與研究

楊亮亮　錢家豪　魯文其　潘曉銘

關(guān)鍵詞：EtherCAT；Linux；工業(yè)以太網(wǎng)；SOEM

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2023）11-12-04

0 引言

在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，控制系統(tǒng)需不斷滿足通信速度、控制精度、抗干擾能力和實(shí)時(shí)性的要求[1]。傳統(tǒng)總線控制方式已不能滿足要求，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)因其高實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力，如廣泛應(yīng)用的有EtherCAT、EtherNet/IP、SERCOS等[2]。

EtherCAT 協(xié)議使用了一種名為“處理數(shù)據(jù)”的方式，使得數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)絡(luò)上以非常高的速度傳輸，從而獲得實(shí)時(shí)性能好的控制，在測(cè)控領(lǐng)域、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前市面上使用EtherCAT 來(lái)控制高端數(shù)控系統(tǒng)的主站，主要是倍福公司基于傳統(tǒng)的PC 研發(fā)的TwinCAT 商業(yè)主站，其價(jià)格高昂、不開(kāi)源、靈活性差，正在被嵌入式主站逐步替代[3-4]，但傳統(tǒng)的嵌入式主站因其芯片價(jià)格一直居高不下，故使用成本高。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種Linux+RT-PREEMPT+SOME 的框架下搭建EtherCAT 主站的方案，采用國(guó)產(chǎn)T3 芯片作為主站控制芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二臺(tái)伺服電機(jī)周期性控制，并對(duì)其周期性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行了測(cè)試。此方案即滿足了EtherCAT 主站強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高穩(wěn)定性的要求，又解決了傳統(tǒng)EtherCAT 主站成本高、便攜性差的缺點(diǎn)。

1 EtherCAT系統(tǒng)架構(gòu)

EtherCAT 是一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，其核心是一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，其中多個(gè)設(shè)備通過(guò)一個(gè)物理總線連接[5-6]。其系統(tǒng)總體架構(gòu)及運(yùn)行原理如圖1 所示，搭載Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的全志T3 系列芯片與PHY 芯片連接，然后PHY 芯片連接帶有網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的RJ45 接口，組成了EtherCAT 主站，從站由多臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成，主站通過(guò)網(wǎng)線將EtherCAT 報(bào)文發(fā)送至全部從站。

2 Linux 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性優(yōu)化

EtherCAT 主站對(duì)其搭載的操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了要求[7]，本文選用的Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux-3.10.65，其具有豐富軟件資料，穩(wěn)定性和重構(gòu)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但本身作為一個(gè)通用操作系統(tǒng)內(nèi)核而設(shè)計(jì)的，存在實(shí)時(shí)性能差的缺點(diǎn)，因此選用RT-Preempt 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁優(yōu)化Linux 系統(tǒng)[8-9]。優(yōu)化Linux 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性步驟如圖2 所示，通過(guò)SecureCRT 軟件，在其終端上輸入uname -a 來(lái)查看當(dāng)前開(kāi)發(fā)板的Linux 內(nèi)核的相關(guān)信息，用來(lái)判斷Linux 操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性優(yōu)化是否成功。

3 EtherCAT 主站設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

EtherCAT 主站和從站建立通信主要由EtherCAT總線配置和周期實(shí)時(shí)任務(wù)兩個(gè)階段組成。如圖3 所示。通過(guò)在終端使用ifconfig 命令查看所用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并對(duì)網(wǎng)口進(jìn)行配置。其中ec_config_init（）函數(shù)負(fù)責(zé)從站的配置信息：包含從站的數(shù)量、產(chǎn)品的ID。以便于主站可以和特定的從站進(jìn)行PDO 數(shù)據(jù)交換。

EtherCAT 狀態(tài)機(jī)的通信機(jī)制是用來(lái)實(shí)現(xiàn)主站和從站之間的通信，并且定義了主站和從站在通信過(guò)程中可以采取的狀態(tài)[10]。EtherCAT 主站要控制從站運(yùn)行，需要經(jīng)過(guò)四個(gè)狀態(tài)，分別是Init（ 初始化），Pre-Operational（ 預(yù)運(yùn)行），Safe-Operational（ 安全運(yùn)行），Operational（運(yùn)行），必須按照“初始化→預(yù)運(yùn)行→預(yù)運(yùn)行→安全運(yùn)行”順序進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，不能越級(jí)轉(zhuǎn)化，從運(yùn)行狀態(tài)返回時(shí)可以越級(jí)轉(zhuǎn)化[11]。

EtherCAT 主站控制伺服電機(jī)周期同步位置模式模式（Cyclic synchronous position mode， CSP）運(yùn)行，需要在Pre-Operational 狀態(tài)轉(zhuǎn)向Safe-Operational 狀態(tài)期間，需要配置從站的信息，主站按照CiA402 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行PDO 映射，PDO 可以分為RxPDO（信息寫(xiě)入從站）和TxPDO（從站發(fā)出信息），其配置信息如圖4所示。

伺服電機(jī)csp 模式運(yùn)行之前，需要設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的模式并且控制其使能，根據(jù)CiA402 協(xié)議，csp 模式對(duì)應(yīng)的控制模式為8，因此需要將地址60600008h 寫(xiě)入8，地址60400010h 寫(xiě)入任意數(shù)→6→7→15 的順序使能伺服驅(qū)動(dòng)器。

3.2 周期性實(shí)時(shí)任務(wù)

周期性實(shí)時(shí)任務(wù)的作用是實(shí)現(xiàn)主站與從站之間過(guò)程數(shù)據(jù)的交換，其包含了主站周期性實(shí)時(shí)生成控制指令（邏輯運(yùn)算指令和運(yùn)動(dòng)控制算法）并發(fā)送給從站，從站接收完主站指令執(zhí)行周期性任務(wù)以及反饋運(yùn)行狀態(tài)。在SOEM 中實(shí)現(xiàn)的代碼如下所示：

ec_send_processdata（）;

ec_receive_processdata（EC_TIMEOUTRET）;

周期時(shí)間的控制精度影響著EtherCAT 實(shí)時(shí)性的精度，因此時(shí)鐘函數(shù)選用的是擁有納秒級(jí)精度的clock_gettime（）和clock_nanosleep（）。其周期實(shí)時(shí)任務(wù)設(shè)計(jì)模塊如圖5 所示。其中clock_gettime（）和clock_nanosleep（）函數(shù)的第一參數(shù)為CLOCK_MONOTONIC，將以絕對(duì)時(shí)間為準(zhǔn)，獲取的時(shí)間為系統(tǒng)重啟到現(xiàn)在的時(shí)間，系統(tǒng)時(shí)間的更改對(duì)其沒(méi)有影響，t1 和t2為絕對(duì)時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及測(cè)試

本文提出的基于Linux 嵌入式的EtherCAT 主站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，其中主要由EtherCAT主站和從站組成，全志T3系列開(kāi)發(fā)板上使用Linux+RT-PREEMPT+SOEM 的開(kāi)源架構(gòu)作為EtherCAT 主站，從站選用了兩臺(tái)禾川公司開(kāi)發(fā)的X3E 伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。

4.1 Linux 內(nèi)核實(shí)時(shí)性測(cè)試

RT-PREEMPT 移植完成后，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)性測(cè)試，以此來(lái)用對(duì)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中處理多任務(wù)高負(fù)載的場(chǎng)景，因此使用壓力測(cè)試工具模擬系統(tǒng)處于高負(fù)載的場(chǎng)景，并且同時(shí)運(yùn)行EtherCAT 主站應(yīng)用程序，然后使用Cyclictest 工具測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

使用由圖7 可知，沒(méi)有實(shí)時(shí)內(nèi)核的Linux 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)線程最大延遲達(dá)到了2ms，已經(jīng)超出了EtherCAT 對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。而由圖8 表明，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)性優(yōu)化的Linux 內(nèi)核的實(shí)時(shí)線程的性能得到了極大的提升，最大的延遲在60us 左右，平均延遲在18us 左右，最小延遲在11us 左右，其結(jié)果表明實(shí)時(shí)內(nèi)核的性能更加優(yōu)于非實(shí)現(xiàn)內(nèi)核，達(dá)到了EtherCAT 主站對(duì)實(shí)時(shí)性u(píng)s 精度的要求。

4.2 EtherCAT 通信測(cè)試

周期時(shí)間需要實(shí)際工程的需求來(lái)設(shè)定，其中EtherCAT 數(shù)據(jù)幀收發(fā)的時(shí)間是一個(gè)重要的影響因素，周期時(shí)間設(shè)定的值必須要大于EtherCAT 一幀數(shù)據(jù)幀的收發(fā)時(shí)間，選用clock_gettime（） 函數(shù)來(lái)測(cè)量EtherCAT 收發(fā)幀的時(shí)間，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，最大時(shí)間為420us?？紤]到伺服運(yùn)動(dòng)控制也需要花費(fèi)時(shí)間，因此將周期時(shí)間設(shè)為2ms。

啟動(dòng)EtherCAT 主站應(yīng)用程序，主站與從站進(jìn)行周期數(shù)據(jù)交換后，使用交換機(jī)分別與PC 和T3 開(kāi)發(fā)板的網(wǎng)口相連，使用Wireshark 軟件抓取EtherCAT 數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，EtherCAT 報(bào)文如圖9 所示。

EtherCAT通過(guò)檢擦字報(bào)文中的WKC（Working Cnt）的值并和預(yù)期的值進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)判斷從站是否有正確的處理報(bào)文，當(dāng)字報(bào)文經(jīng)過(guò)一個(gè)從站時(shí)，進(jìn)行讀或?qū)懖僮鞒晒r(shí)，WKC 會(huì)加1，在進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)，讀成功時(shí)WKC 加1，寫(xiě)成功時(shí)WKC 加2，讀寫(xiě)都成功時(shí)，WKC 的時(shí)便會(huì)加3[12]。由圖9 可知，主站連接著兩個(gè)伺服從站，執(zhí)行LRW 和FRMW 的命令后，WKC 的數(shù)值從0 分別變?yōu)榱? 和2，說(shuō)明了從站正確處理了報(bào)文。

4.3 主站實(shí)時(shí)性測(cè)試

在SOEM 中，ecx_context.DCtime 是一個(gè)用來(lái)表示當(dāng)前DC 時(shí)鐘值的變量，可以通過(guò)檢查ecx_context.DCtime 的值來(lái)確定從站的同步狀態(tài)，因此使用ns 級(jí)別精度的clock_gettime（）函數(shù)來(lái)獲取當(dāng)前以及上一個(gè)ecx_context.DCtime 的值，通過(guò)當(dāng)前的DC 值減去上一次的DC 值，便可以計(jì)算出當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，其結(jié)果如表1 所示，EtherCAT 數(shù)據(jù)幀傳輸平均周期為2000005ns 左右，符合設(shè)定了2ms 周期，并且最大的周期為2139840ns，與設(shè)定的2ms 周期相差了130us 左右，符合EtherCAT 對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，而且在測(cè)試期間伺服電機(jī)通信穩(wěn)定無(wú)報(bào)錯(cuò)。

由表1 的結(jié)果表明，該方案能穩(wěn)定運(yùn)行EtherCAT通信，為了進(jìn)一步分析其主站的性能，利用tshark 工具將Wireshark 抓取的EtherCAT 數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳提取出來(lái)并進(jìn)行分析，其測(cè)試結(jié)果如下所示：

由圖10 可知，在Linux+RT-PREEMPT+SOEM 的架構(gòu)中，EtherCAT 主站和從站能正常的周期性通信，該方案的抖動(dòng)量在80us 左右，最大的抖動(dòng)量在160us左右。與系統(tǒng)設(shè)置的2ms 周期相比，其延遲是符合預(yù)期要求的，并且在保證正常通信的情況下，該方案可以輕松地進(jìn)行跨平臺(tái)移植，從而減少了大量不必要的安裝和部署工作，降低了學(xué)習(xí)難度。此外，隨著硬件性能的提高，抖動(dòng)量也會(huì)逐漸減少。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于Linux+RT-PREEMPT+SOEM 的開(kāi)源框架搭建EtherCAT 主站的主要流程，著重介紹了應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程和Linux 內(nèi)核實(shí)時(shí)性優(yōu)化方法，對(duì)搭建好的主站進(jìn)行性能測(cè)試，其結(jié)果表明，使用優(yōu)化后的Linux 內(nèi)核，以本文方案搭建的EtherCAT 主站能順利運(yùn)行，主站抖動(dòng)量穩(wěn)定在80us 左右，具有較高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，較好地解決了傳統(tǒng)EtherCAT 成本高昂、便攜性差的問(wèn)題，為EtherCAT 主站在Linux 平臺(tái)搭建提供了一種切實(shí)可行的方案。