基于Zynq平臺的EtherCAT主站方案實現

摘要：EtherCAT 是開放的實時以太網通訊協議，由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT 具有高性能、低成本、容易使用等特點，目前在工業自動化領域有著廣泛的應用。Zynq-7000 是賽靈思公司（Xilinx）推出的行業第一個全可編程 SoC 產品, 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 主站是一套質量穩定、知名度和性價比較高的 EtherCAT 協議棧，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 EtherCAT 簡介
第二節 KPA EtherCAT 軟件包簡介和使用
第三節 KPA EtherCAT 主站簡介和移植
第四節 EtherCAT 主站程序測試
第五節 EtherCAT 測試程序分析
第六節主站開發包申請試用

1、EtherCAT 簡介

EtherCAT（以太網控制自動化技技）是一種用于確定性以太網的高性能工業通信協議，它擴展了 IEEE 802.3 以太網標準，使得數據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 以太網幀，幀結構如圖 1。EtherCAT 協議直接用標準以太網的幀格式傳輸數據，并不修改其基本結構。

圖 1： EtherCAT 數據幀

EtherCAT 實現了 CANopen 協議，在 CANopen 中周期性的數據通過 PDO（過程數據對象）來傳輸，PDO 優先級較高，可用于實時傳輸。非周期性的數據比如配置參數和對象字典等則通過 SDO（服務數據對象）來傳輸。

每個 PDO 都包含單個或多個從設備的地址，這種數據加地址的結構（附帶用于校驗的傳輸計數位）組成了 EtherCAT 的報文。每個 Ethernet 幀可能包含數個報文，而一個周期中可能需要多幀來傳送所需的所有報文。

傳統的以太網通信解決方案從站先接受以太網數據包，然后解釋和復制過程數據，最后轉發數據。而EtherCAT 以太網幀在特殊的硬件模塊的幫助下可以實現在傳輸的同時被處理。每個從節點都有 FMMU（現場總線存儲管理單元），FMMU 會對經過的數據包進行地址分析，發現是本節點的數據就會讀取，同時報文轉發給下一個設備。同樣在報文通過的時候也可以插入需要傳輸的數據。讀取/插入/轉發數據的整個過程，報文只有幾納秒的延遲。如圖 2 所示，設想以太網的幀就像行駛中的火車，EtherCAT 報文是每節火車車廂，PDO 數據的比特就是車廂內的乘客，這些數據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 數據傳輸

2、EtherCAT 主從站軟硬件簡介

2.１KPA　EtherCAT　主站軟件介紹
KPA EtherCAT主站軟件根據功能不同，提供了Basic，Standard，Premium以及Extension四個版本主站協議棧，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（記錄數據和報文）、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的現成開發包，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要求的一款主站方案。

KPA主站協議棧采用模塊化的架構，可以實現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，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；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模塊利用不同的協議處理服務數據對象（SDP），數據傳輸以及數據交換。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系統時間。這是通過補償編譯和漂移時間來實現的。

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，轉發它們到EtherCAT網絡驅動。

6) OSAL操作系統抽象層模塊：包含與操作系統相關的功能函數的包裝，比如處理線程、計時器、互斥量等；包括網絡適配驅動器模塊：從底層的網絡實現提取主站堆棧的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主站開發板以及外擴的FMC網卡。PC通過串口終端來實現操作系統指令輸入，PC端上的EtherCAT網絡診斷配置工具KPA EtherCAT Studio通過RPC服務連接Zedboard主站板，可以實現對主站和從站的配置，掃描生成網絡配置文件。Zedboard作為EtherCAT主站板具體可參考。

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，獨立外擴網卡，而不是使用主站板ARM上的網卡驅動，主站開發包中提供的Timer IP Core和NIC IPCore，利用邏輯單元PL，構建針對EtherCAT優化的MAC，提供了針對EtherCAT優化的NIC驅動，IP Core提供了Shift Sending Time設置，從端口降低有操作系統引起的數據幀抖動，從而優化了數據在收發時的抖動的問題。

３、KPA EtherCAT 主站移植

本方案基于Zynq平臺的EtherCAT主站實現，系統采用改進后的實時linux系統，即在標準的linux操作系統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，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安裝文件網址是

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
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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。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：
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》： +for+Zynq

3.4Linux 內核編譯
當xenomai補丁打好后，即可開始編譯linux內核