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KPA EtherCAT主站在Zynq平臺的移植與測試

Xilinx賽靈思官微 ? 來源:djl ? 作者:陳秋苑 謝曉鋒 陳 ? 2019-07-30 09:45 ? 次閱讀

摘 要

EtherCAT 是開放的實時以太網(wǎng)通訊協(xié)議,由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。EtherCAT 具有高性能、低成本、容易使用等特點,目前在工業(yè)自動化領(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。

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

目錄

第一節(jié)EtherCAT 簡介

第二節(jié)KPA EtherCAT 軟件包簡介和使用

第三節(jié)KPA EtherCAT 主站簡介和移植

第四節(jié)EtherCAT 主站程序測試

第五節(jié)EtherCAT 測試程序分析

第六節(jié)主站開發(fā)包申請試用

1EtherCAT 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)測性定時及高精度同步等特點。這個開放性標(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)。

KPA EtherCAT主站在Zynq平臺的移植與測試

圖 1: EtherCAT 數(shù)據(jù)幀

EtherCAT 實現(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,可用于實時傳輸。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 PDO 都包含單個或多個從設(shè)備的地址,這種數(shù)據(jù)加地址的結(jié)構(gòu)(附帶用于校驗的傳輸計數(shù)位)組成了 EtherCAT 的報文。每個 Ethernet 幀可能包含數(shù)個報文,而一個周期中可能需要多幀來傳送所需的所有報文。

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現(xiàn)在傳輸?shù)耐瑫r被處理。每個從節(jié)點都有 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)點的 數(shù)據(jù)就會讀取,同時報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一個設(shè)備。同樣在報文通過的時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)的整個過程,報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)

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圖 2: EtherCAT 數(shù)據(jù)傳輸

2EtherCAT 主從站軟硬件簡介

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),可以實現(xiàn)每個特殊的項目應(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。每個模塊可以單獨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)時間。這是通過補(bǔ)償編譯和漂移時間來實現(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,用戶可以單獨定義每個從站的掃描速率。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、計時器、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http://zedboard.org/product/zedboard。

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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)時的抖動的問題。

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3KPA EtherCAT 主站移植

本方案基于Zynq平臺的EtherCAT主站實現(xiàn),系統(tǒng)采用改進(jìn)后的實時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)一個微小、實時內(nèi)核,改造成具有雙內(nèi)核的異構(gòu)系統(tǒng),所有實時任務(wù)都運(yùn)行在微內(nèi)核上,非實時的Linux 則作為實時內(nèi)核的一項優(yōu)先級最低的任務(wù)來托管所有的非實時任務(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不需要單獨安裝,等在安裝Vivado的時候勾選下就可以了。 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

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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

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3.3給 Linux 內(nèi)核代碼打 Xenomai 實時補(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)丁的實時嵌入式操作系統(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:http://download.gna.org/xenomai/stable/xenomai-2.6.3.tar.bz2

給linux內(nèi)核代碼打xenomai實時補(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,即可開始編譯linux內(nèi)核

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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。

這個文件是xilinx提供給我們做模板用的??梢园阉鈮洪_,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。

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

實驗平臺包括三個組成部分:待測試的EtherCAT系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)獲取單元和離線的實驗數(shù)據(jù)分析單元,如下圖所示。主站為構(gòu)建的嵌入式實時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實時數(shù)據(jù)獲取單元

實時數(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,兩個網(wǎng)口為標(biāo)準(zhǔn)的100M/1Gbps 以太網(wǎng)接口。支持單獨捕獲上行和下行數(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)包時間戳的分辨率可以達(dá)到5ns,保證了實驗數(shù)據(jù)的精確性,如下圖:

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圖 13:實時數(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 實現(xiàn)的,在實驗的最后,所有捕獲的的實驗數(shù)據(jù)都會交給離線數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理和分析。

圖 14:EtherCAT網(wǎng)絡(luò)實驗圖

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)計至個位)

總結(jié):

可以看出,基于Zynq平臺的主站設(shè)計方案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,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

KPA EtherCAT主站在Zynq平臺的移植與測試

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)置周期時間,等操作

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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。

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    的頭像 發(fā)表于 05-18 15:54 ?4335次閱讀

    虹科干貨 | 虹科KPA EtherCAT站軟件在Xilinx ZYNQ UltraScale+上移植測試

    虹科KPAEtherCAT站是一款協(xié)議棧產(chǎn)品,能夠使用戶快速利用EtherCAT技術(shù)的所有好處,例如實時操作、極短的循環(huán)時間、以及最低成本的最高性能。該協(xié)議棧的先進(jìn)架構(gòu)專注于可移植到不同的操作系統(tǒng)
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    虹科干貨 | 虹科<b class='flag-5'>KPA</b> <b class='flag-5'>EtherCAT</b><b class='flag-5'>主</b>站軟件在Xilinx <b class='flag-5'>ZYNQ</b> UltraScale+上<b class='flag-5'>移植</b><b class='flag-5'>測試</b>

    【虹科干貨】使用Profishark進(jìn)行EtherCAT站性能測試

    01EtherCAT站性能測試一般情況下EtherCAT站性能測試會關(guān)注
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    【虹科干貨】使用Profishark進(jìn)行<b class='flag-5'>EtherCAT</b><b class='flag-5'>主</b>站性能<b class='flag-5'>測試</b>

    虹科干貨 | 虹科KPA EtherCAT站軟件在Xilinx ZYNQ UltraScale+上移植測試

    虹科KPAEtherCAT站是一款協(xié)議棧產(chǎn)品,能夠使用戶快速利用EtherCAT技術(shù)的所有好處,例如實時操作、極短的循環(huán)時間、以及最低成本的最高性能。該協(xié)議棧的先進(jìn)架構(gòu)專注于可移植到不同的操作系統(tǒng)
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    虹科干貨 | 虹科<b class='flag-5'>KPA</b> <b class='flag-5'>EtherCAT</b><b class='flag-5'>主</b>站軟件在Xilinx <b class='flag-5'>ZYNQ</b> UltraScale+上<b class='flag-5'>移植</b><b class='flag-5'>測試</b>

    開源!ZYNQ IgH EtherCAT站方案分享

    前言創(chuàng)龍科技已基于IMX8、ZYNQ、AM5728、AM5708、AM437x、AM335x、T3/A40i等平臺提供了開源EtherCAT站IgH案例。本文主要演示TLZ7x-Ea
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    開源!<b class='flag-5'>ZYNQ</b> IgH <b class='flag-5'>EtherCAT</b><b class='flag-5'>主</b>站方案分享

    基于Zynq UltraScale+MPSoC高性能EtherCAT站方案

    本文將介紹KPA EtherCAT 站在ZCU102平臺移植
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    基于<b class='flag-5'>Zynq</b> UltraScale+MPSoC高性能<b class='flag-5'>EtherCAT</b><b class='flag-5'>主</b>站方案

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