 作者：陈秋苑 谢晓锋 陈海焕 广州虹科电子科技有限公司 摘 要：EtherCAT 是开放的实时以太网通讯协议，由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT 具有高性能、低成本、容易使用等特点，目前在工业自动化领域有着广泛的应用。Zynq-7000 是赛灵思公司（Xilinx）推出的行业第一个全可编程 SoC 产品, 它将双核 ARM Cortex-A9 处理器，低功耗可编程逻辑以及常用的外设紧密集成在一起。ZedBoard 是基于 XC7Z020 器件的低成本开发板，此板可以运行基于 Linux，Android，WinCE 或其他嵌入式 OS/ RTOS 的设计。 KPA EtherCAT 主站是一套质量稳定、知名度和性价比较高的 EtherCAT 协议栈，有较大参考价值。本文将介绍 KPA EtherCAT 主站在 Zynq 平台的移植与测试。 目录 1、EtherCAT 简介  图 1： EtherCAT 数据帧 EtherCAT 实现了 CANopen 协议，在 CANopen 中周期性的数据通过 PDO（过程数据对象）来传输，PDO 优先级较高，可用于实时传输。非周期性的数据比如配置参数和对象字典等则通过 SDO（服务数据对象）来传输。 每个 PDO 都包含单个或多个从设备的地址，这种数据加地址的结构（附带用于校验的传输计数位）组成了 EtherCAT 的报文。每个 Ethernet 帧可能包含数个报文，而一个周期中可能需要多帧来传送所需的所有报文。 传统的以太网通信解决方案从站先接受以太网数据包，然后解释和复制过程数据，最后转发数据。而EtherCAT 以太网帧在特殊的硬件模块的帮助下可以实现在传输的同时被处理。每个从节点都有 FMMU（现场总线存储管理单元），FMMU 会对经过的数据包进行地址分析，发现是本节点的 数据就会读取，同时报文转发给下一个设备。同样在报文通过的时候也可以插入需要传输的数据。读取/插入/转发数据的整个过程，报文只有几纳秒的延迟。如图 2 所示，设想以太网的帧就像行驶中的火车，EtherCAT 报文是每节火车车厢，PDO 数据的比特就是车厢内的乘客，这些数据可以被提取并插入到合适的从设备中。整辆火车不停止地穿越所有从设备，在末端从设备处又掉头，重新反向穿越所有从设备。（注：EtherCAT不仅支持主从通讯，也支持从从通讯即S2S）  图 2： EtherCAT 数据传输 2、EtherCAT 主从站软硬件简介 提供了基于多种不同硬件平台和OS的现成开发包，支持SoC（ARM+FPGA）/ARM/X86 /PowerPC等主流硬件平台，支持Linux（Xenomai/RT-preempt）/ Windows(INtime/RTX)/ QNX/ Ucos/ Vxworks等。几乎满足目前所有用户主站开发要求的一款主站方案。 KPA主站协议栈采用模块化的架构，可以实现每个特殊的项目应用。它使得主站可以自由扩展以适应不同大小的应用程序、可以移植不同的操作系统和各种各样的硬件平台。每个模块可以单独定制化或者二次开发，而且不会破坏其他模块的完整性。主站结构如图3  图 3： KPA EtherCAT主站构架 KPA主要功能模块为： 2) Mailbox Module：EtherCAT主站核心mailbox模块利用不同的协议处理服务数据对象（SDP），数据传输以及数据交换。支持CoE,FoE，EoE，SoE,VoE，AoE等邮箱服务。 3) Process Image Module过程映像模块：Process Image简称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自动生成。从控制/过程任务访问过程映像是由主站接口执行的。 4) Distribution Clock分布时钟模块：使得所有的EtherCAT设备（包括主站和从站）总是能够共享相同的EtherCAT系统时间。这是通过补偿编译和漂移时间来实现的。 5) Frame Schedule Module帧调度模块：不同PDO采用不同的扫描周期。在配置工具KPA Studio里，用户可以单独定义每个从站的扫描速率。帧调度表模块管理EtherCAT帧速率，转发它们到EtherCAT网络驱动。 6) OSAL操作系统抽象层模块：包含与操作系统相关的功能函数的包装，比如处理线程、计时器、互斥量等；包括网络适配驱动器模块：从底层的网络实现提取主站堆栈的core核心 2.2KPA EtherCAT 主站硬件介绍  图 4：硬件架构图  图 5：硬件内部架构 另外，KPA利用主站板的FPGA资源，独立外扩网卡，而不是使用主站板ARM上的网卡驱动，主站开发包中提供的Timer IP Core和NIC IPCore，利用逻辑单元PL，构建针对EtherCAT优化的MAC，提供了针对EtherCAT优化的NIC驱动，IP Core提供了Shift Sending Time设置，从端口降低有操作系统引起的数据帧抖动，从而优化了数据在收发时的抖动的问题。  ３、KPA EtherCAT 主站移植 3.1Vivado 与 Xilinx SDK 工具安装  3.2Vivado 的下载安装  3.3给 Linux 内核代码打 Xenomai 实时补丁 3.4Linux 内核编译  图 6：Uboot编译 具体的ubuntu编译方法和编译kernel大同小异，可以参考这篇文章： http://www.wiki./Build+U-Boot 3.5下载源代码 3.6编译 U-Boot 3.7文件系统编译 3.8设备树编译 3.9KPA NIC 模块 3.10Vivado 生成 bitstream 文件  图 7：生成bitstream文件 3.11Xilinx SDK 生成 FSBL 图 8：生成的FSBL 3.12制作 BOOT.BIN 文件 图 9：生成BOOT.BIN文件 3.13烧录 SD 卡 图 10：SD卡分区 然后将前面准备的BOOT.BIN文件，设备树文件devicetree.dtb，文件系统文件uramdisk.image.gz文件，linux内核镜像uImage这四个文件拷贝到第一分区。不难看出第一分区全部是和操作系统相关的文件。第二分区里则是三个文件，全由KPA提供Master: KPA的EtherCat主站相关的所有文件； 图 11：SD卡中Master内容 Xenomai：xenomai依赖的一些库文件，这个可以官网下载xenomai对应的版本如2.6.3。然后在根目录下make后会生成这个库文件。 图 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运行了。 4、EtherCAT 主站程序测试 4.1实时数据获取单元 图 13：实时数据单元示意图 4.2离线数据分析单元 图 14：EtherCAT网络实验图 利用wireshark分别抓取数据（带DC） 图 15：基于Wireshark的EtherCAT数据帧（含DC） 利用wireshark分别抓取数据（不带DC）： 图 16：基于Wireshark的EtherCAT数据帧（含DC） 表 1：EtherCAT数据测试结果 单位：us（统计至个位） 总结： 5、EtherCAT 测试程序分析 图 17：KPA开发包的功能模块（部分） 5.1利用 KPA Studio 扫描网络 图 18：KPA Studio扫描从站头文件 5.2Main 函数重要部分介绍 图 19：Main函数中的主站初始化部分 （2）加载PRC服务功能，方便利用KPA Studio进行调试 图 20：加载RPC远程调试功能 （3）切换主站状态 图 21：切换主站状态 （4）设置控制字，进行PI数据的读写，从而控制从站 图 22：读写PI 其中数据的读取都要遵循先调用EcatStartReadInputs/EcatDoneWriteOutputs 函数，获取输入输出PI，中间再调用EcatSetVariable进行数据的交互，最后再调用EcatDoneWriteOutputs获取数据读写的应答，结束读写。 6、主站开发包申请试用 注意：注册请用真实的公司名称、地址和联系方式，注册信息也也发一份给本土供应商，中国区内发给广州虹科电子科技有限公司：cqy@hkaco.com和support@hkaco.com。KPA一般在五个工作日内与本土供应商核对并完成审核，然后注册用户可以免费获取试用的开发包和KPA Studio调试软件（3个月有效期）。 |
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