1、EtherCAT 簡(jiǎn)介

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)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(cè)性定時(shí)及高精度同步等特點(diǎn)。這個(gè)開(kāi)放性標(biāo) 準(zhǔn)作為 IEC 61158 的組成部分，常用于機(jī)械設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)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)。

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圖 1： EtherCAT 數(shù)據(jù)幀

EtherCAT 實(shí)現(xiàn)了 CANopen 協(xié)議，在 CANopen 中周期性的數(shù)據(jù)通過(guò) PDO（過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）來(lái)傳輸，PDO 優(yōu)先級(jí)較高，可用于實(shí)時(shí)傳輸。非周期性的數(shù)據(jù)比如配置參數(shù)和對(duì)象字典等則通過(guò) SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）來(lái)傳輸。

每個(gè) PDO 都包含單個(gè)或多個(gè)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(yàn)的傳輸計(jì)數(shù)位）組成了 EtherCAT 的報(bào)文。每個(gè) Ethernet 幀可能包含數(shù)個(gè)報(bào)文，而一個(gè)周期中可能需要多幀來(lái)傳送所需的所有報(bào)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(guò)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(shí)現(xiàn)在傳輸?shù)耐瑫r(shí)被處理。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)都有 FMMU（現(xiàn)場(chǎng)總線存儲(chǔ)管理單元），F(xiàn)MMU 會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行地址分析，發(fā)現(xiàn)是本節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)就會(huì)讀取，同時(shí)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)設(shè)備。同樣在報(bào)文通過(guò)的時(shí)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(gè)過(guò)程，報(bào)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(bào)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）

圖 2： EtherCAT 數(shù)據(jù)傳輸

2、EtherCAT 主從站軟硬件簡(jiǎn)介

2.１KPA　EtherCAT　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(gè)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(bào)文）、Access Rights（設(shè)置不同的訪問(wèn)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(tái)和OS的現(xiàn)成開(kāi)發(fā)包，支持SoC（ARM+FPGA）/ARM/X86 /PowerPC等主流硬件平臺(tái)，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(kāi)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(shí)現(xiàn)每個(gè)特殊的項(xiàng)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(tái)。每個(gè)模塊可以單獨(dú)定制化或者二次開(kāi)發(fā)，而且不會(huì)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(guò)程任務(wù)端順利訪問(wèn)主站功能函數(shù)；與主站通過(guò)Remote Procedure Calls服務(wù)交互，提供了TCP/IP以及UDP連接，比如：通過(guò)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(duì)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(guò)程映像模塊：Process Image簡(jiǎn)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(dòng)生成。從控制/過(guò)程任務(wù)訪問(wèn)過(guò)程映像是由主站接口執(zhí)行的。

4) Distribution Clock分布時(shí)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(shí)間。這是通過(guò)補(bǔ)償編譯和漂移時(shí)間來(lái)實(shí)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(dú)定義每個(gè)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(dòng)。

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(jì)時(shí)器、互斥量等；包括網(wǎng)絡(luò)適配驅(qū)動(dòng)器模塊：從底層的網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(jiàn)圖4：PC端、Zedboard主站開(kāi)發(fā)板以及外擴(kuò)的FMC網(wǎng)卡。PC通過(guò)串口終端來(lái)實(shí)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(guò)RPC服務(wù)連接Zedboard主站板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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 。

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(dú)立外擴(kuò)網(wǎng)卡，而不是使用主站板ARM上的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，主站開(kāi)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(duì)EtherCAT優(yōu)化的MAC，提供了針對(duì)EtherCAT優(yōu)化的NIC驅(qū)動(dòng)，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(dòng)，從而優(yōu)化了數(shù)據(jù)在收發(fā)時(shí)的抖動(dòng)的問(wèn)題。

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３、KPA EtherCAT 主站移植

本方案基于Zynq平臺(tái)的EtherCAT主站實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用改進(jìn)后的實(shí)時(shí)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(gè)微小、實(shí)時(shí)內(nèi)核，改造成具有雙內(nèi)核的異構(gòu)系統(tǒng)，所有實(shí)時(shí)任務(wù)都運(yùn)行在微內(nèi)核上,非實(shí)時(shí)的Linux 則作為實(shí)時(shí)內(nèi)核的一項(xiàng)優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)來(lái)托管所有的非實(shí)時(shí)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(lái)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(dú)安裝，等在安裝Vivado的時(shí)候勾選下就可以了。 Ubuntu上的xilinx SDK安裝文件網(wǎng)址是

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3.2Vivado 的下載安裝
Vivado主要是用來(lái)配置xilinx的FPGA外設(shè)的，后面生成bitstream文件時(shí)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(shí)是需要用到。Vivado的下載地址
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3.3給 Linux 內(nèi)核代碼打 Xenomai 實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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：
給linux內(nèi)核代碼打xenomai實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，可以參看xilinx的官方文檔《Xenomai for Zynq》： +for+Zynq

3.4Linux 內(nèi)核編譯
當(dāng)xenomai補(bǔ)丁打好后，即可開(kāi)始編譯linux內(nèi)核

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圖 6：Uboot編譯

具體的ubuntu編譯方法和編譯kernel大同小異，可以參考這篇文章： +U-Boot

3.5下載源代碼
Uboot的源碼下載地址是： https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx.git