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1、基于Zynq平台的EtherCAT主站方案实现摘 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
2、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。目录第一节 EtherCAT 简介第二节 KPA EtherCAT 软件包简介和使用第三节 KPA EtherCAT 主站简介和移植第四节 EtherCAT 主站程序测试第五节 EtherCAT 测试程序分析第六节 主站开发包申请试用1、EtherCAT 简介EtherCAT（以太网控制自动化技技）是一种用于确定性以太网的高性能工业通信协议，它扩展了 IEEE 802.3 以太网标准，使得数据传输中具有可预测性定时及高精度同步等特点。这个开放性标 准
3、作为 IEC 61158 的组成部分，常用于机械设计及运动控制等应用中。EtherCAT 采用标准的 IEEE802-3 以太网帧，帧结构如图 1。EtherCAT 协议直接用标准以太网的帧格式传输数据，并不修改其基本结构。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 Etherne
4、t 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
5、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）2.KPAEtherCAT主站软件介绍KPA EtherCAT主站软件根据功能不同，提供了Basic，Standard，Premium以及Extension四个版本主站协议栈，因此除了支持ETG1500定义了Class A和Class B两种主站类型外，KPA还支持一些拓展功能比如：Data- and Frame-Logger（记录数据和报文）、Access Rights（设置不同的访问权限）MulTI Ma
6、ster（多主站，冗余）、Cable Redundancy （线缆冗余）、Hot-Connect（热插拔）、其他。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
7、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3KPA主要功能模块为：1) 应用层：应用层负责与各种不同的编程/配置环境交互，负责与不同的应用或设备交互。确保在应用或过程任务端顺利访问主站功能函数；与主站通过Remote Procedure Calls服务交互，提供了TCP/IP以及UDP连接，比如：通过UDP与从站设备进行mailbox相关的通讯。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 Imag
8、e 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
9、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 主站硬件介绍主站硬件主要由三部分组成见图4：PC端、Zedboard主站开发板以及外扩的FMC网卡。PC通过串口终端来实现操作系统指令输入，PC端上的EtherCAT网络诊断配置工具KPA EtherCAT Studio通过RPC服务连接Zedboard主站板，可以实现对主站和从站的配置，扫描生成网络配置文件。Zedb
10、oard作为EtherCAT主站板具体可参考 。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。、KPA EtherCAT 主站移植本方案基于Zynq平台的EtherCAT主站实现，系统采用改进后的实时linux系统，即在标准的linux操作系统内核中嵌套
11、进一个微小、实时内核，改造成具有双内核的异构系统，所有实时任务都运行在微内核上,非实时的Linux 则作为实时内核的一项优先级最低的任务来托管所有的非实时任务，采用Linux3.8.13和Xenomai2.6.3，下面介绍怎么搭建Zedboard主站。3.1Vivado 与 Xilinx SDK 工具安装我们主要用到SDK里的交叉编译器，以及用它来生成FSBL与BOOT.BIN文件。我分别在ubuntu和windows上都安装了xilinx的SDK。其中windows上的xilinx SDK不需要单独安装，等在安装Vivado的时候勾选下就可以了。 Ubuntu上的xilinx SDK安装文件
12、网址是3.2Vivado 的下载安装Vivado主要是用来配置xilinx的FPGA外设的，后面生成bitstream文件时需要用，以及我们更改SOC里的外设引脚配置以及配置管脚等等时是需要用到。Vivado的下载地址3.3给 Linux 内核代码打 Xenomai 实时补丁zedboard上运行的linux内核可不是普通的linux内核源码，而是打了xenomai补丁的实时嵌入式操作系统。需要先给linux源码打上xenomai补丁后方可编译Linux源码下载： https:/github/Xilinx/linux-xlnx.gitXenomai安装包下载：给linux内核代码打xenomai实时补丁，可以参看xilinx的官方文档Xenomai for Zynq： +for+Zynq3.4Linux 内核编译当xenomai补丁打好后，即可开始编译linux内核具体的ubuntu编译方法和编译kernel大同小异，可以参考这篇文章： +U-Boot3.5下载源代码Uboot的源码下载地址是： https:/github/Xilinx/u-boot-xlnx.git