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：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-12-04

0 引言

在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，控制系統(tǒng)需不斷滿足通信速度、控制精度、抗干擾能力和實時性的要求[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)因其高實時性和穩(wěn)定性成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要推動力，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，從而獲得實時性能好的控制，在測控領(lǐng)域、工業(yè)機器人等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值。

目前市面上使用EtherCAT 來控制高端數(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，其價格高昂、不開源、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格一直居高不下，故使用成本高。針對上述問題，本文設(shè)計了一種Linux+RT-PREEMPT+SOME 的框架下搭建EtherCAT 主站的方案，采用國產(chǎn)T3 芯片作為主站控制芯片，實現(xiàn)了對二臺伺服電機周期性控制，并對其周期性和實時性進行了測試。此方案即滿足了EtherCAT 主站強實時性和高穩(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。

1 EtherCAT系統(tǒng)架構(gòu)

EtherCAT 是一種實時以太網(wǎng)協(xié)議，其核心是一個分布式控制系統(tǒng)，其中多個設(shè)備通過一個物理總線連接[5-6]。其系統(tǒng)總體架構(gòu)及運行原理如圖1 所示，搭載Linux 實時系統(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，從站由多臺伺服驅(qū)動器和伺服電機構(gòu)成，主站通過網(wǎng)線將EtherCAT 報文發(fā)送至全部從站。

2 Linux 系統(tǒng)實時性優(yōu)化

EtherCAT 主站對其搭載的操作系統(tǒng)的實時性提出了要求[7]，本文選用的Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核版本為Linux-3.10.65，其具有豐富軟件資料，穩(wěn)定性和重構(gòu)性強的優(yōu)勢，但本身作為一個通用操作系統(tǒng)內(nèi)核而設(shè)計的，存在實時性能差的缺點，因此選用RT-Preempt 實時補丁優(yōu)化Linux 系統(tǒng)[8-9]。優(yōu)化Linux 系統(tǒng)的實時性步驟如圖2 所示，通過SecureCRT 軟件，在其終端上輸入uname -a 來查看當(dāng)前開發(fā)板的Linux 內(nèi)核的相關(guān)信息，用來判斷Linux 操作系統(tǒng)實時性優(yōu)化是否成功。

3 EtherCAT 主站設(shè)計

3.1 應(yīng)用程序設(shè)計

EtherCAT 主站和從站建立通信主要由EtherCAT總線配置和周期實時任務(wù)兩個階段組成。如圖3 所示。通過在終端使用ifconfig 命令查看所用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并對網(wǎng)口進行配置。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行PDO 數(shù)據(jù)交換。

EtherCAT 狀態(tài)機的通信機制是用來實現(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程中可以采取的狀態(tài)[10]。EtherCAT 主站要控制從站運行，需要經(jīng)過四個狀態(tài)，分別是Init（ 初始化），Pre-Operational（ 預(yù)運行），Safe-Operational（ 安全運行），Operational（運行），必須按照“初始化→預(yù)運行→預(yù)運行→安全運行”順序進行狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，不能越級轉(zhuǎn)化，從運行狀態(tài)返回時可以越級轉(zhuǎn)化[11]。

EtherCAT 主站控制伺服電機周期同步位置模式模式（Cyclic synchronous position mode， CSP）運行，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)議進行PDO 映射，PDO 可以分為RxPDO（信息寫入從站）和TxPDO（從站發(fā)出信息），其配置信息如圖4所示。

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

3.2 周期性實時任務(wù)

周期性實時任務(wù)的作用是實現(xiàn)主站與從站之間過程數(shù)據(jù)的交換，其包含了主站周期性實時生成控制指令（邏輯運算指令和運動控制算法）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)以及反饋運行狀態(tài)。在SOEM 中實現(xiàn)的代碼如下所示：

ec_send_processdata（）;

ec_receive_processdata（EC_TIMEOUTRET）;

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

4 實驗平臺搭建及測試

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

4.1 Linux 內(nèi)核實時性測試

RT-PREEMPT 移植完成后，需要對其進行實時性測試，以此來用對在實際應(yīng)用場合中處理多任務(wù)高負(fù)載的場景，因此使用壓力測試工具模擬系統(tǒng)處于高負(fù)載的場景，并且同時運行EtherCAT 主站應(yīng)用程序，然后使用Cyclictest 工具測量系統(tǒng)的實時性。

使用由圖7 可知，沒有實時內(nèi)核的Linux 系統(tǒng)的實時線程最大延遲達到了2ms，已經(jīng)超出了EtherCAT 對實時性的要求。而由圖8 表明，經(jīng)過實時性優(yōu)化的Linux 內(nèi)核的實時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)果表明實時內(nèi)核的性能更加優(yōu)于非實現(xiàn)內(nèi)核，達到了EtherCAT 主站對實時性us 精度的要求。

4.2 EtherCAT 通信測試

周期時間需要實際工程的需求來設(shè)定，其中EtherCAT 數(shù)據(jù)幀收發(fā)的時間是一個重要的影響因素，周期時間設(shè)定的值必須要大于EtherCAT 一幀數(shù)據(jù)幀的收發(fā)時間，選用clock_gettime（） 函數(shù)來測量EtherCAT 收發(fā)幀的時間，經(jīng)過長時間的測量，最大時間為420us?？紤]到伺服運動控制也需要花費時間，因此將周期時間設(shè)為2ms。

啟動EtherCAT 主站應(yīng)用程序，主站與從站進行周期數(shù)據(jù)交換后，使用交換機分別與PC 和T3 開發(fā)板的網(wǎng)口相連，使用Wireshark 軟件抓取EtherCAT 數(shù)據(jù)幀并進行統(tǒng)計與分析，EtherCAT 報文如圖9 所示。

EtherCAT通過檢擦字報文中的WKC（Working Cnt）的值并和預(yù)期的值進行對比，以此來判斷從站是否有正確的處理報文，當(dāng)字報文經(jīng)過一個從站時，進行讀或?qū)懖僮鞒晒r，WKC 會加1，在進行讀/寫操作時，讀成功時WKC 加1，寫成功時WKC 加2，讀寫都成功時，WKC 的時便會加3[12]。由圖9 可知，主站連接著兩個伺服從站，執(zhí)行LRW 和FRMW 的命令后，WKC 的數(shù)值從0 分別變?yōu)榱? 和2，說明了從站正確處理了報文。

4.3 主站實時性測試

在SOEM 中，ecx_context.DCtime 是一個用來表示當(dāng)前DC 時鐘值的變量，可以通過檢查ecx_context.DCtime 的值來確定從站的同步狀態(tài)，因此使用ns 級別精度的clock_gettime（）函數(shù)來獲取當(dāng)前以及上一個ecx_context.DCtime 的值，通過當(dāng)前的DC 值減去上一次的DC 值，便可以計算出當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸時間，經(jīng)過長時間的測試，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 對實時性的要求，而且在測試期間伺服電機通信穩(wěn)定無報錯。

由表1 的結(jié)果表明，該方案能穩(wěn)定運行EtherCAT通信，為了進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)包中的時間戳提取出來并進行分析，其測試結(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，該方案的抖動量在80us 左右，最大的抖動量在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行跨平臺移植，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，抖動量也會逐漸減少。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于Linux+RT-PREEMPT+SOEM 的開源框架搭建EtherCAT 主站的主要流程，著重介紹了應(yīng)用程序設(shè)計流程和Linux 內(nèi)核實時性優(yōu)化方法，對搭建好的主站進行性能測試，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 主站能順利運行，主站抖動量穩(wěn)定在80us 左右，具有較高的實時性和穩(wěn)定性，較好地解決了傳統(tǒng)EtherCAT 成本高昂、便攜性差的問題，為EtherCAT 主站在Linux 平臺搭建提供了一種切實可行的方案。