在工業(yè)自動化領(lǐng)域，如何在通用Linux系統(tǒng)上實現(xiàn)微秒級的硬實時控制，一直是機器人、多軸運動控制等高精度場景落地的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。開源的IgH EtherCAT Master協(xié)議棧，憑借其卓越的高實時性與低抖動特性，成為了連接工業(yè)現(xiàn)場總線與上層應(yīng)用的核心橋梁。然而，要釋放其全部潛能，離不開Preempt-RT實時內(nèi)核的強力加持。

本文將基于飛凌嵌入式OK3576-C開發(fā)板，通過1ms周期同步速度模式與125μs周期同步轉(zhuǎn)矩模式的實測對比，展示在CPU隔離核與滿負載壓力下，系統(tǒng)如何將通訊抖動控制在微秒級，為您呈現(xiàn)一套可落地的高性能實時工業(yè)控制完整方案。

先說結(jié)論，表現(xiàn)很強悍！

周期同步速度模式，周期抖動由6.3080μs降低為3.5790μs；

周期同步轉(zhuǎn)矩模式，周期抖動由50.0470μs降低為2.1130μs！

1、IgH EtherCAT Master是什么？

在解答這個問題之前，先來看一下什么是EtherCAT ？EtherCAT是發(fā)展最快的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之一，采用硬件驅(qū)動型架構(gòu)，具有速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸距離長、更新周期小、連接設(shè)備數(shù)量多等多重優(yōu)勢。

IgH EtherCAT則是運行于Linux系統(tǒng)的開源EtherCAT主站程序，IgH EtherCAT主站通過構(gòu)建Linux字符設(shè)備，應(yīng)用程序通過對字符設(shè)備的訪問實現(xiàn)與EtherCAT主站模塊的通信。

它主要包括以下三部分：

1. Master Module

角色：EtherCAT 主站的“大腦”和內(nèi)核。

功能：負責(zé)管理 EtherCAT 總線通信，實現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)交換與同步。它包含主站實例及供底層驅(qū)動和上層應(yīng)用調(diào)用的接口。

2. Device Modules

角色：經(jīng)過實時性優(yōu)化的“網(wǎng)卡驅(qū)動”（如瑞芯微RK平臺的 stmmac）。

功能：作為主站與物理網(wǎng)口的橋梁。它能智能分流：被主站選中的設(shè)備用于收發(fā) EtherCAT 幀；未被選中的設(shè)備則作為普通以太網(wǎng)設(shè)備走常規(guī)協(xié)議棧，實現(xiàn) EtherCAT 與普通網(wǎng)絡(luò)的并行工作。

3. Application

角色：業(yè)務(wù)邏輯的執(zhí)行者（用戶編寫或生成）。

功能：通過應(yīng)用接口向主站申請總線控制權(quán)。一旦獲準(zhǔn)，即可配置總線并進行周期性的過程數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用程序既可以是內(nèi)核模塊，也可以是通過庫（EtherCAT/RTDM）調(diào)用的用戶空間程序。

評論區(qū)留言【資料】，即可獲得IgH EtherCAT Master官方源碼及技術(shù)手冊的下載方式。

2、實時內(nèi)核Preempt-RT

1. 獨具優(yōu)勢：

IgH EtherCAT Master要保證高實時性，需要在實時操作系統(tǒng)上運行。Preempt-RT是一種針對實時性能進行了優(yōu)化的Linux內(nèi)核，與普通的Linux內(nèi)核相比，Preempt-RT的優(yōu)勢很明顯：

① 硬實時保障：

具備硬實時能力，能確保關(guān)鍵任務(wù)在嚴(yán)格規(guī)定的時限內(nèi)完成，不受其他任務(wù)干擾，滿足工業(yè)自動化、航空航天等對時間精度極高的場景需求。

② 高效調(diào)度與低延遲：

采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，高優(yōu)先級任務(wù)可立即搶占低優(yōu)先級任務(wù)；同時深度優(yōu)化中斷處理機制，大幅縮短響應(yīng)時間，消除系統(tǒng)抖動。

③ 高精度定時：

提供微秒級的內(nèi)核定時器精度，配合實時擴展機制，支持用戶對內(nèi)核進行定制，精準(zhǔn)滿足EtherCAT通信的周期性數(shù)據(jù)交換需求。

2. 實時性測試

本次測試參考Rockchip RealTime Linux Performance Test Report，分為空載測試和壓力測試。測試的環(huán)境如下：

① 工具：cyclictest

② 硬件平臺：OK3576-C開發(fā)板

③ 內(nèi)核版本：6.1.118-rt36

④ Path：SDK/docs/rk35xx/Patches/Real-Time-Performance/PREEMPT_RT/kernel-6.1/kernel-6.1.118

a. 配置Preempt-RT內(nèi)核，可以參考用戶資料：/1-手冊/OK35xx-Linux6.1.118-配置實時內(nèi)核方法.pdf

b. 不同硬件平臺的實時性測試結(jié)果，可以參考用戶資料：/1-手冊/OK35xx-Linux6.1.118-實時性測試.pdf

空載測試：

cyclictest -c 0 -m -t 8 -p99 -D12H

參數(shù)介紹：

• -c 0：選擇時鐘源為CLOCK_MONOTONIC
• -m：鎖定內(nèi)存，防止內(nèi)存頁交換到磁盤
• -t 8：創(chuàng)建8個測試線程
• -p 99：設(shè)置線程的優(yōu)先級為99
• -D 12h：設(shè)置測試持續(xù)時間為12h

壓力測試：

stress-ng -c8 --io 8 --cpu-load 100 -vm 4 --vm-bytes 512M --timeout 10000000s &

參數(shù)介紹：

• -c 8：模擬8個CPU邏輯核心滿負荷運行
• --io 8：模擬磁盤I/O壓力
• --cpu-load 100：設(shè)定 CPU 的目標(biāo)負載為 100%
• --vm 4 --vm-bytes 512M：模擬內(nèi)存壓力
• --timeout 10000000s：設(shè)置測試持續(xù)時間為10000000秒

3、演示案例

本節(jié)的演示選取周期同步速度模式（通訊周期時間為1ms）與周期同步轉(zhuǎn)矩模式（通訊周期時間為125μs）驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動。

1. 環(huán)境介紹

開發(fā)環(huán)境：

• Kernel：6.1.118-rt36
• IgH EtherCAT Master：IgH EtherCAT master 1.6.0-rc1
• EtherCAT主站：OK3576-C
• EtherCAT從站：
• （1）EtherCAT耦合器EK1100
• （2）數(shù)字量輸出模塊EL2008
• （3）伺服驅(qū)動器IS620NS1R6I + 伺服電機MS1H1-10B30CB A330Z

拓撲結(jié)構(gòu)圖：

主站通過網(wǎng)線連接EtherCAT耦合器EK1100，EK1100通過E-Bus連接數(shù)字量輸出模塊EL2008、通過網(wǎng)線連接伺服驅(qū)動器IS620N，交流伺服電機MS1H1-10B30CB通過動力線和編碼線與伺服驅(qū)動器IS620N相連。

使用EtherCat調(diào)試工具輸出識別到的從站：

使用EtherCat調(diào)試工具輸出總線拓撲：

2. 伺服模式

IS620N 支持 7 種伺服模式，分別為輪廓位置模式（PP）、輪廓速度模式（PV）、輪廓轉(zhuǎn)矩模式（PT）、回零模式（HM）、周期同步位置模式（CSP）、周期同步速度模式（CSV）、周期同步轉(zhuǎn)矩模式（CST）。

不同模式支持的通訊周期不同，如下所示：

3. 主站性能測試方法

以下定義參考：Definitions of Jitter and Latency

參考官方示例代碼：

examples/dc_user/main.c · stable-1.5 · EtherLab / EtherCAT Master · GitLab

里面有實現(xiàn)統(tǒng)計一個通訊周期的所花費的最大值和最小值。以1s為周期循環(huán)打印該區(qū)間EtherCAT通訊周期時間的最大值和最小值。

演示一：周期同步速度模式(1ms)

周期同步速度模式下，上位控制器將計算好的目標(biāo)速度 60FF 周期性同步發(fā)送給伺服驅(qū)動器，速度、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)由伺服內(nèi)部執(zhí)行。

基本配置：

使用EtherCat調(diào)試工具輸出的pdo信息：

操作步驟：

步驟1：設(shè)定模式，OD 6060h = 09h，周期同步速度模式。

步驟2：設(shè)定目標(biāo)速度，OD 60FFh = 0。由于速度模式下，一旦切至 Servo On (步驟 3)，伺服電機就會開始運轉(zhuǎn)，因此設(shè)定 0 是確保在 Servo On 時先保持 0 rpm 而不作動。

步驟3：設(shè)定控制指令 OD 6040h，請依照以下步驟操作。步驟 3.1 與 3.2 是為了使驅(qū)動器的狀態(tài)機 (state machine) 進入準(zhǔn)備狀態(tài)。

步驟4：設(shè)定目標(biāo)速度 OD 60FFh。

性能指標(biāo)：

① 壓力測試（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s&

./igh_ethercat_motor_csv

② 隔離測試+隔離核（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s &

taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_csv

演示二：周期同步轉(zhuǎn)矩模式(125μs)

此模式下，上位控制器將計算好的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩 6071h 周期性同步的發(fā)送給伺服驅(qū)動器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)由伺服內(nèi)部執(zhí)行。當(dāng)速度達到限幅值后將進入調(diào)速階段。

基本配置：

使用EtherCat調(diào)試工具輸出的pdo信息：

操作步驟：

步驟1：設(shè)定模式，OD 6060h = 0Ah，周期同步轉(zhuǎn)矩模式。

步驟2：設(shè)定目標(biāo)扭矩，OD 6071h = 0。由于扭矩模式下，一旦切至Servo On (步驟 3)，伺服目標(biāo)扭矩即作用，因此先設(shè)定 0，以確保安全。

步驟3：設(shè)定控制指令，OD 6040h，請依照以下步驟操作。步驟 3.1 與 3.2 是為了使驅(qū)動器的狀態(tài)機 (state machine) 進入準(zhǔn)備狀態(tài)。

步驟4：設(shè)定目標(biāo)扭矩 OD 6071h。

性能指標(biāo)：

① 壓力測試（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s&

./igh_ethercat_motor_cst

② 壓力測試+隔離核（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s &

taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_cst

以上測試對未及時收回來的數(shù)據(jù)幀時統(tǒng)計的周期樣本進行剔除，在跑125μs周期，幀未及時收回來的情況會更加頻繁。

兩種演示的性能測試，應(yīng)用程序都采用FIFO調(diào)度+內(nèi)存鎖定；在采取隔離核策略時，系統(tǒng)的周期抖動降低。

• 周期同步速度模式，周期抖動由6.3080μs降低為3.5790μs。
• 周期同步轉(zhuǎn)矩模式，周期抖動由50.0470μs降低為2.1130μs。

方案展示：