楊 濤，徐 方，賈 凱

（1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168)

0 引言

計算機技術(shù)、控制技術(shù)尤其是現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展促使網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)逐漸取代集中式運動控制系統(tǒng)。Ethercat作為一種高速高效的實時以太網(wǎng)標準機器人、數(shù)控機床等分布式運動控制系統(tǒng)中得到了廣泛關(guān)注。Ethercat是主從式控制網(wǎng)絡(luò)，主站負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理，從站負責(zé)完成電機閉環(huán)控制等底層實時控制任務(wù)。從站各個任務(wù)都具有較強的實時性要求，并且從站本身也必須具有很強的穩(wěn)定性，所以有必要對從站需要完成的各種任務(wù)進行合理的規(guī)劃來提高其實時性、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的基于前后臺模式的任務(wù)設(shè)計，除中斷服務(wù)程序外，各個任務(wù)具有相同的優(yōu)先級循環(huán)執(zhí)行。這樣的程序不但實時性差而且一旦其中任何一個任務(wù)的錯誤執(zhí)行都將影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而嵌入式實時操作系統(tǒng)可以管理系統(tǒng)軟硬件資源并對對系統(tǒng)和用戶任務(wù)的實時調(diào)度，對提高通信系統(tǒng)等實時多任務(wù)系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性有較好作用。本文研究了一種基于通用實時操作系統(tǒng)的Ethercat從站實時多任務(wù)規(guī)劃策略，并據(jù)此指導(dǎo)從站的設(shè)計。

1 實時以太網(wǎng)Ethercat技術(shù)分析

1.1 Ethercat基本原理簡介

Ethercat是IEC推薦的10種國際通用實時以太網(wǎng)標準之一。Ethercat具有高速高效的實時控制網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達100Mb/s，每幀最多可容納1486字節(jié)。Ethercat網(wǎng)絡(luò)符合OSI/ISO七層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。Ethercat物理層采用標準的以太網(wǎng)物理器件、數(shù)據(jù)鏈路層采用專用的芯片完成，數(shù)據(jù)鏈路層提供了郵箱數(shù)據(jù)交換和緩沖數(shù)據(jù)交換兩種數(shù)據(jù)交換方式分別適用于實時數(shù)據(jù)傳輸和非實時數(shù)據(jù)傳輸，為應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計提供了有力保證，所以其應(yīng)用層支持CANpoen、SERCOS、Ethernet等多軸開放的國際標準協(xié)議，為用戶應(yīng)用程序設(shè)計提供了很大的方便。本文設(shè)計的分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用層采用標準的CANopen協(xié)議。

Ethercat應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)中主要負責(zé)實時數(shù)據(jù)通訊和非實時數(shù)據(jù)通訊。在基于Ethercat的控制系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)通訊采用的是周期性數(shù)據(jù)交換方式，數(shù)據(jù)以固定的周期在主控制器和從站控制器之間交換實時控制信息與設(shè)備信息的實時交換。非實時數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用于系統(tǒng)的配置，一般只在系統(tǒng)啟動階段進行。下面詳細介紹Ethercat的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)通訊機制。

1.2 Ethercat實時數(shù)據(jù)傳輸過程分析

Ethercat實時數(shù)據(jù)幀到達從站之后，從站控制器ESC對比邏輯內(nèi)存管理單元FMMU的地址與數(shù)據(jù)幀的地址，如果一致，則將數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的ESC內(nèi)存區(qū)域，此時內(nèi)存同步管理器SM2產(chǎn)生相應(yīng)的中斷通知應(yīng)用層控制器YLMCU產(chǎn)生實時數(shù)據(jù)處理事件等待處理，YLMCU查詢SM2對應(yīng)的同步管理器分配對象（索引為0X1C32）中包含的RPDO對象信息，接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)到RPDO對象指示的PDO應(yīng)用對象中。

圖1 Ethercat實時數(shù)據(jù)傳輸原理

1.3 Ethercat非實時數(shù)據(jù)傳輸過程分析

Ethercat數(shù)據(jù)幀到達從站后，從站對比自身的站點地址和數(shù)據(jù)幀中的站點地址，如果一致，從站控制器ESC則將數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)載入ESC內(nèi)部RAM區(qū)域，并產(chǎn)生相應(yīng)的標志位等待應(yīng)用層控制器YLMCU處理。YLMCU查詢到相應(yīng)的中斷標志后，將RAM區(qū)域中的數(shù)據(jù)通過PDI接口讀入到Y(jié)LMCU中，并依此按照郵箱協(xié)議、CANopen協(xié)議等逐層解析，最終實現(xiàn)非實時數(shù)據(jù)的處理。

圖2 Ethercat非實時數(shù)據(jù)傳輸原理

1.4 Ethercat多從站同步運行機制分析

基于Ethercat的控制系統(tǒng)一般具有多個從站，各個從站分別在主站的控制下獨立運行，這樣各個從站之間存在時間不同步的問題，時間不同步最終將造成控制不同。特別對于多軸聯(lián)動的運動控制系統(tǒng)，各個軸之間必須保證一定的同步運行精度，Ethercat提供了以下三種同步機制完成從站之間的時間和控制同步運算。

1.4.1 自由運行模式

從站的自由運行模式是指各個從站采用自身定時器，定時從自身的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)獲取目標位置指令并執(zhí)行。該方法特點是實現(xiàn)簡單，但是各個驅(qū)動器上電時間不一致將導(dǎo)致各個時鐘的起點不同，所以該方法將造成如圖3所示的粗大同步誤差。

圖3 自由運行模式時間同步誤差分析

1.4.2 主站輸出同步模式

主站輸出同步是指各個從站的運行周期不是由自身定時器決定的，而是在收到主站發(fā)送的實時通訊數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷，依靠中斷信號完成一次通訊。這樣各個伺服軸進行位置采樣的時間差是由數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸延時引起的，而對于高速實時以太網(wǎng)Ethercat而言，該延時是微妙級別的，所以理論上該方法可以達到微妙級別的時間同步。

圖4 主站輸出同步模式時間誤差分析

1.5 網(wǎng)絡(luò)分布時鐘同步模式

網(wǎng)絡(luò)分布時鐘模式是指Ethercat網(wǎng)絡(luò)中從站使用自身定時器產(chǎn)生的脈沖信號作為時間基準，與網(wǎng)絡(luò)中的其余從站沒有關(guān)聯(lián)。分布時鐘機制將Ethercat網(wǎng)絡(luò)中第一個從站的時鐘作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的參考時鐘。通過補償網(wǎng)絡(luò)傳輸延時、系統(tǒng)各個從站的初始化時間偏差、從站時鐘漂移等影響系統(tǒng)中各從站時鐘不一致的因素，使得 Ethercat網(wǎng)絡(luò)中主站和各個從站的時鐘同步于參考時鐘，該模式下各個從站時鐘可以達到納秒級別的同步。這樣網(wǎng)絡(luò)中的從站按照統(tǒng)一的時間進行數(shù)據(jù)的采樣和控制，可以達到高精度的同步控制效果。

圖5 分布時鐘模式同步時間誤差分析

2 實時操作系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃策略和測試方法

基于操作系統(tǒng)的程序是將大的應(yīng)用程序劃分為多個小任務(wù)，操作系統(tǒng)負責(zé)調(diào)度各個任務(wù)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。實時操作系統(tǒng)除了具有普通操作系統(tǒng)軟硬件資源管理的功能外還特別強化了任務(wù)、中斷的實時處理能力，使之在規(guī)定的時間窗口內(nèi)得到運行。實時操作系統(tǒng)中按照任務(wù)執(zhí)行的特點將操作系統(tǒng)任務(wù)分為設(shè)備依賴型任務(wù)、關(guān)鍵任務(wù)、緊迫任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)四種類型。

2.1 設(shè)備依賴型任務(wù)的調(diào)度方法

設(shè)備依賴型任務(wù)是嵌入式系統(tǒng)中最為常見的任務(wù)類型。它的特點是其運行依賴于具體的外部設(shè)備，比如AD采樣和濾波任務(wù)在AD轉(zhuǎn)換器開始運行之后啟動，但必須在采樣量化之后再次運行才能完成任務(wù)，中間需要一定時間等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束。通常外設(shè)處理速度比CPU處理速度慢很多，所以該類任務(wù)需要等待。此時為了提高CPU的利用率操作系統(tǒng)將CPU占用權(quán)轉(zhuǎn)交給其它任務(wù)進，等待該類任務(wù)的外設(shè)準備完畢后，再由操作系統(tǒng)采用一定的調(diào)度機制使之再次得到運行。該類任務(wù)可以為普通任務(wù)對待，其的規(guī)劃運行原理如圖6所示。

圖6 設(shè)備依賴型任務(wù)調(diào)度原理圖

2.2 關(guān)鍵型任務(wù)的調(diào)度方法

關(guān)鍵型任務(wù)的特點是如果它得不到運行會對系統(tǒng)造成毀滅性的沖擊，但該類任務(wù)允許一定時間的等待或者延時。該類任務(wù)作為周期性任務(wù)交由操作系統(tǒng)定時調(diào)度。該類任務(wù)應(yīng)盡量簡單，通常任務(wù)僅負責(zé)發(fā)送信號量，具體的數(shù)據(jù)處理則交由等待信號量的普通任務(wù)執(zhí)行。

2.3 緊迫型任務(wù)的調(diào)度方法

緊迫型任務(wù)的特點是必須在規(guī)定的時間內(nèi)得到運行，否則沒有意義甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。緊迫任務(wù)一般通過硬件中斷觸發(fā)，如果處理該任務(wù)所耗機時較少則該任務(wù)直接在中斷服務(wù)程序中完成，否則將該部分封裝為一個優(yōu)先級較高的任務(wù)，由中斷服務(wù)函數(shù)通過信號量觸發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)處理型任務(wù)的調(diào)度方法

數(shù)據(jù)處理任務(wù)的特點是消耗機時較長但不緊迫。處理該類任務(wù)最好的辦法是采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，但是大部分實時操作系統(tǒng)不允許多個任務(wù)共享同一個優(yōu)先級不支持時間片輪轉(zhuǎn)算法，可以采取如圖7所示的模擬時間片算法進行任務(wù)調(diào)度。該算法將復(fù)雜數(shù)據(jù)處理任務(wù)劃分為優(yōu)先級相近的多個簡單數(shù)據(jù)處理任務(wù)，這樣在操作系統(tǒng)將CPU使用權(quán)交給輸出處理任務(wù)時，各個優(yōu)先級相近的數(shù)據(jù)處理任務(wù)按照先后順序交替運行。從CPU運行機時的角度看，各個復(fù)雜的數(shù)據(jù)任務(wù)按照時間片輪流占有CPU使用權(quán)。

圖7 模擬時間片輪轉(zhuǎn)算法示意圖

2.5 實時操作系統(tǒng)任務(wù)可調(diào)度性分析

基于實時操作系統(tǒng)的程序，完成任務(wù)劃分后需要進行任務(wù)的可調(diào)性分析，以確定每個任務(wù)是否可以被操作系統(tǒng)及時調(diào)度。目前對于實時操作系統(tǒng)的任務(wù)可調(diào)度性分析普遍采用的分析方法是速率單調(diào)分析（RMA），該方法基于以下假設(shè)：

所有任務(wù)都是周期性運行的；

任務(wù)獨立，互不交叉；

每個任務(wù)執(zhí)行的時間是固定的；

每個任務(wù)都可以在下個周期到來前完成規(guī)定的任務(wù)；

RMA的測試公式為：

式中n為任務(wù)總個數(shù)，Ci為任務(wù)i執(zhí)行一次的最長時間。Ti為任務(wù)i的周期；U(n)為CPU利用系數(shù)的上限。任務(wù)總個數(shù)與最大可利用系數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1 任務(wù)總個數(shù)與最大可利用系數(shù)表

如果完成操作系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃之后計算出的RMA值小于上表所計算出的利用系數(shù)上限并留有一定的裕量，則操作系統(tǒng)可以正常調(diào)度各個任務(wù)，實時性和穩(wěn)定性可得到保障，否則需要重新規(guī)劃。

3 從站任務(wù)劃分

Ethercat從站負責(zé)主要周期性數(shù)據(jù)鏈路/應(yīng)用層狀態(tài)機切換、輸入輸出、非周期性數(shù)據(jù)輸入輸出、用戶數(shù)據(jù)處理與設(shè)備控制等任務(wù)。

3.1 有限狀態(tài)控制任務(wù)規(guī)劃

Ethercat狀態(tài)機和應(yīng)用層狀態(tài)機的控制著數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的功能，必須定時得到刷新。但是此類任務(wù)的執(zhí)行時間窗口一般比較寬，所以將該類任務(wù)作為關(guān)鍵任務(wù)，通過操作系統(tǒng)提供的定時器軟中斷方式觸發(fā)，中斷服務(wù)程序通過信號量機制啟動相應(yīng)的狀態(tài)切換任務(wù)，此類任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)計比周期性處理任務(wù)優(yōu)先級低。

3.2 實時非數(shù)據(jù)通訊任務(wù)規(guī)劃

從站的非實時數(shù)據(jù)通訊主要用于完成系統(tǒng)配置工作，一般在系統(tǒng)正常運行之前完成，不存在多任務(wù)搶占CPU的問題。所以可以將非周期性數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)劃分為低優(yōu)先級的普通任務(wù)。

3.3 實時數(shù)據(jù)通訊任務(wù)規(guī)劃

Ethercat控制網(wǎng)絡(luò)通過實時數(shù)據(jù)通訊任務(wù)必須周期性運行，不允許超時或者丟包，否則將對系統(tǒng)造成較大沖擊。該任務(wù)為緊迫任務(wù)。Ethercat標準為了滿足控制系統(tǒng)多個從站高精度同步運行的需求，采用中斷方式響應(yīng)同步信號（時間同步信號、IO同步信號、分布時鐘同步信號）。由于實時通訊任務(wù)需要做的運算占用機器較多，不能在中斷服務(wù)程序中完成，所以在中斷服務(wù)程序中通過啟動相應(yīng)的信號量分配機制。通過信號量分配任務(wù)分發(fā)相應(yīng)信號量啟動數(shù)據(jù)處理任務(wù)。同時為了使數(shù)據(jù)處理任務(wù)及時運行，將數(shù)據(jù)處理任務(wù)劃分為幾個比較小的任務(wù)，并賦予比較高的優(yōu)先級。

圖8 實時數(shù)據(jù)通訊任務(wù)調(diào)度原理

3.4 實時數(shù)據(jù)通訊任務(wù)規(guī)劃

Ethercat從站一般需要完成特定的控制功能。完成這些功能需要與進行信號采樣和數(shù)據(jù)處理，所以該類任務(wù)屬于數(shù)據(jù)處理類任務(wù)，可采用模擬時間片輪轉(zhuǎn)的方式進行規(guī)劃，并且使各個任務(wù)的優(yōu)先級均低于狀態(tài)轉(zhuǎn)換任務(wù)。

4 Ethercat從站設(shè)計實例

4.1 機器人IO系統(tǒng)簡介

機器人控制系統(tǒng)的IO控制系統(tǒng)負責(zé)機器人上下電控制、運行狀態(tài)指示、安全保護、外設(shè)擴展等功能，所以IO系統(tǒng)是機器人安全運行的保證，必須能長時間穩(wěn)定運行，并具有足夠高的實時性能?；贓thercat的機器人控制系統(tǒng)中的IO控制系統(tǒng)是Ethercat 從站之一IO從站。本文設(shè)計的IO從站應(yīng)用層支持標準CANopen DS401 IO行規(guī)，支持多種格式輸入輸出的64路可配置IO信號。

4.2 IO從站硬件設(shè)計

Ethercat從站是特殊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備常用的分層方法完成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和外部設(shè)備硬件設(shè)計，從站整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 IO從站硬件結(jié)構(gòu)圖

Ethercat IO從站物理層采用普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理層，使用工業(yè)加固型RJ45接口，普通網(wǎng)絡(luò)變壓器、不帶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的PHY設(shè)備（為了提高系統(tǒng)的實時性，不需要數(shù)據(jù)緩沖區(qū)），物理層PHY通過標準接口MII與數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備相連。

Ethercat數(shù)據(jù)鏈路層需要使用的專業(yè)的電路芯片，這里數(shù)據(jù)鏈路層采用是BECKHOFF公司生產(chǎn)的Ethercat從站控制器ESC ET1100，它通過I2C接口與外部EEROM連接，在EEROM中存儲ESC基本配置信息和啟動信息。ESC還可以配置它與應(yīng)用層設(shè)備連接方式，這里選用通用的SPI串行接口與高層設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。

Etheract應(yīng)用層設(shè)備不僅是應(yīng)用層協(xié)議實現(xiàn)的載體，也是用戶控制程序的載體。為了減小實時操作系統(tǒng)移植開發(fā)的時間、提高操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用TI公司開發(fā)的支持實時操作系統(tǒng)TI/BIOS的TMS320F2812 DSP芯片作為從站的應(yīng)用層硬件設(shè)備。DSP和從站控制器ESC之間采用SPI接口連接，IO從站的外部設(shè)備IO模塊對驅(qū)動能力沒有過高要求，它僅作為信號模塊所用，所以IO設(shè)備可以直接采用DSP芯片的GPIO接口配合高速光耦完成。

4.3 IO從站軟件任務(wù)規(guī)劃

IO從站軟件在DSP/BIOS操作系統(tǒng)上開發(fā)。DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C5000TM和TMS320C28xTM等DSP平臺設(shè)計開發(fā)的尺寸可裁剪的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。DSP/BIOS以模塊化方式提供給用戶對線程、中斷、定時器、內(nèi)存資源、所有外設(shè)資源的管理能力都可以根據(jù)需要剪裁。實際應(yīng)用中需要的定制算法作為一個線程插入DSP/BIOS的調(diào)度隊列，由DSP/BIOS進行調(diào)度。

IO從站的任務(wù)是按照主站發(fā)送的命令正確的讀寫IO信息，所以IO從站除了完成必須通訊任務(wù)之外還需要完成IO的定時刷新功能。按照前文所述的任務(wù)劃分原理對IO從站任務(wù)進行劃分，結(jié)果如表2所示。

表2 IO從站任務(wù)規(guī)劃列表

根據(jù)上表所述的任務(wù)劃分方法，結(jié)合TI/BIOS操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的特點，設(shè)計IO從站的軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 Ethercta從站軟件結(jié)構(gòu)圖

利用TI/BIOS單次可執(zhí)行的任務(wù)main函數(shù)完成DSP時鐘、中斷、外設(shè)的初始化工作和Ethercat協(xié)議變量的初始化。利用周期性執(zhí)行PRD任務(wù)完成Ethercat狀態(tài)機刷新（周期為0.5ms，任務(wù)優(yōu)先級為6）、CANopen狀態(tài)機刷新（周期為1ms任務(wù)優(yōu)先級為5）、IO外設(shè)刷新（周期為2ms，任務(wù)優(yōu)先級為4）。將Ethercat實時數(shù)據(jù)通訊任務(wù)作為優(yōu)先級為2的普通任務(wù)并處于堵塞狀態(tài)，等待Ethercat同步信號，不同的同步模式下同步信號也不相同。將Ethercat的非實時數(shù)據(jù)通訊任務(wù)設(shè)計為優(yōu)先級為1的普通任務(wù)，并處于阻塞狀態(tài)等待相應(yīng)信號量觸發(fā)。

5 結(jié)論

通過TI/BISO計算和統(tǒng)計得知各個任務(wù)的RMA測試參數(shù)如表3所示。

表3 IO從站RMA參數(shù)測試實驗數(shù)據(jù)表

7個任務(wù)總共占用28.1%的CPU機時，遠小于U(5)（74.3%），滿足RMA測試公式的要求，所以操作系統(tǒng)可以穩(wěn)定的調(diào)度這些任務(wù)，證明本文提出的基于實時操作系統(tǒng)的Ethercat從站實時多任務(wù)規(guī)劃策略可以滿足從站設(shè)計需求，并且簡化了從站設(shè)計的難度。

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