KPA EtherCAT主站在Zynq平臺的移植與測試

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)自動化領域有著廣泛的應用。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，此板可以運行基于 Linux，Android，WinCE 或其他嵌入式 OS/ RTOS 的設計。

KPA EtherCAT 主站是一套質量穩(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，它擴展了 IEEE 802.3 以太網(wǎng)標準，使得數(shù)據(jù)傳輸中具有可預測性定時及高精度同步等特點。這個開放性標 準作為 IEC 61158 的組成部分，常用于機械設計及運動控制等應用中。EtherCAT 采用標準的 IEEE802-3 以太網(wǎng)幀，幀結構如圖 1。EtherCAT 協(xié)議直接用標準以太網(wǎng)的幀格式傳輸數(shù)據(jù)，并不修改其基本結構。

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（服務數(shù)據(jù)對象）來傳輸。

每個 PDO 都包含單個或多個從設備的地址，這種數(shù)據(jù)加地址的結構（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，然后解釋和復制過程數(shù)據(jù)，最后轉發(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，同時報文轉發(fā)給下一個設備。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)的比特就是車廂內的乘客，這些數(shù)據(jù)可以被提取并插入到合適的從設備中。整輛火車不停止地穿越所有從設備，在末端從設備處又掉頭，重新反向穿越所有從設備。（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（設置不同的訪問權限）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，可以實現(xiàn)每個特殊的項目應用。它使得主站可以自由擴展以適應不同大小的應用程序、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。主站結構如圖3

圖 3： KPA EtherCAT主站構架

KPA主要功能模塊為：

1) 應用層：應用層負責與各種不同的編程/配置環(huán)境交互，負責與不同的應用或設備交互。確保在應用或過程任務端順利訪問主站功能函數(shù)；與主站通過Remote Procedure Calls服務交互，提供了TCP/IP以及UDP連接，比如：通過UDP與從站設備進行mailbox相關的通訊

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。

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。這是通過補償編譯和漂移時間來實現(xiàn)的。

5) Frame Schedule Module幀調度模塊：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。幀調度表模塊管理EtherCAT幀速率，轉發(fā)它們到EtherCAT網(wǎng)絡驅動。

6) OSAL操作系統(tǒng)抽象層模塊：包含與操作系統(tǒng)相關的功能函數(shù)的包裝，比如處理線程、計時器、互斥量等；包括網(wǎng)絡適配驅動器模塊：從底層的網(wǎng)絡實現(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)絡診斷配置工具KPA EtherCAT Studio通過RPC服務連接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：硬件架構圖

圖 5：硬件內部架構

另外，KPA利用主站板的FPGA資源，獨立外擴網(wǎng)卡，而不是使用主站板ARM上的網(wǎng)卡驅動，主站開發(fā)包中提供的Timer IP Core和NIC IPCore，利用邏輯單元PL，構建針對EtherCAT優(yōu)化的MAC，提供了針對EtherCAT優(yōu)化的NIC驅動，IP Core提供了Shift Sending Time設置，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。

３KPA EtherCAT 主站移植

本方案基于Zynq平臺的EtherCAT主站實現(xiàn)，系統(tǒng)采用改進后的實時linux系統(tǒng)，即在標準的linux操作系統(tǒng)內核中嵌套進一個微小、實時內核，改造成具有雙內核的異構系統(tǒng)，所有實時任務都運行在微內核上,非實時的Linux 則作為實時內核的一項優(yōu)先級最低的任務來托管所有的非實時任務，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

3.2Vivado 的下載安裝

Vivado主要是用來配置xilinx的FPGA外設的，后面生成bitstream文件時需要用，以及我們更改SOC里的外設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

3.3給 Linux 內核代碼打 Xenomai 實時補丁

zedboard上運行的linux內核可不是普通的linux內核源碼，而是打了xenomai補丁的實時嵌入式操作系統(tǒng)。需要先給linux源碼打上xenomai補丁后方可編譯

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內核代碼打xenomai實時補丁，可以參看xilinx的官方文檔《Xenomai for Zynq》：http://www.wiki.xilinx.com/Xenomai+for+Zynq

3.4Linux 內核編譯

當xenomai補丁打好后，即可開始編譯linux內核

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_，然后在它基礎上改改，再打包，就能用的。

3.8設備樹編譯

設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。

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)

然后將前面準備的BOOT.BIN文件，設備樹文件devicetree.dtb，文件系統(tǒng)文件uramdisk.image.gz文件，linux內核鏡像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主站相關的所有文件；

圖 11：SD卡中Master內容

Xenomai：xenomai依賴的一些庫文件，這個可以官網(wǎng)下載xenomai對應的版本如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)卡驅動。

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。主站為構建的嵌入式實時EtherCAT 主站,從站為兩套松下交流伺服驅動器MADHT系列。測試的內容為在周期時間為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)絡分析儀Profishark 100M或Profishark 1G,兩個網(wǎng)口為標準的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到5ns,保證了實驗數(shù)據(jù)的精確性，如下圖:

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 機運行開源軟件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)單元進行處理和分析。

圖 14：EtherCAT網(wǎng)絡實驗圖

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)測試結果 單位：us（統(tǒng)計至個位）

總結：

可以看出，基于Zynq平臺的主站設計方案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，寫應用時，可以在這些代碼模板上進行編程測試，本文作者基于01異步模式進行測試程序的分析

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

先掃描從站信息，利用KPA Studio導出從從站信息的頭文件，定義了從站地址，數(shù)據(jù)長度。

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)絡配置文件路徑，設置周期時間，等操作

圖 19：Main函數(shù)中的主站初始化部分

（2）加載PRC服務功能，方便利用KPA Studio進行調試

圖 20：加載RPC遠程調試功能

（3）切換主站狀態(tài)

圖 21：切換主站狀態(tài)

（4）設置控制字，進行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用EcatStartReadInputs/EcatDoneWriteOutputs 函數(shù)，獲取輸入輸出PI，中間再調用EcatSetVariable進行數(shù)據(jù)的交互，最后再調用EcatDoneWriteOutputs獲取數(shù)據(jù)讀寫的應答，結束讀寫。