基于iMX6处理器的EtherCAT主站的设计.docx

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1、基于i.MX6处理器的EtherCAT主站的设计中国传动网导语：工业以太网现场总线EtherCAT越来越多地应用到工业控制领域，其中将EtherCAT总线应用到工业控制系统中的关键技术是构建EtherCAT主站。摘要：工业以太网现场总线EtherCAT越来越多地应用到工业控制领域，其中将EtherCAT总线应用到工业控制系统中的关键技术是构建EtherCAT主站。本文设计了基于Freescalei.MX6Q处理器EtherCAT主站的解决方案。首先，在i.MX6Q处理器上构建了Linux和Xenomai双内核实时操纵系统；然后使用了开源的IgHEtherCATMaster在其上构建嵌入式实时E

2、therCAT主站；最后，使用设计EtherCAT主站在新时达伺服驱动器上进展了同步时钟功能、SYNC中断和PDI中断相对位置调节功能的开发。测试结果说明，在Freescalei.MX6Q处理器上构建基于Linux+Xenomai双内核实时操纵系统的EtherCAT主站可以知足高精度的多轴控制系统的联动控制。随着高速高精度控制系统的迅速开展，工业以太网现场总线在控制系统中的运行越来越广泛1。其中，EtherCAT是一种应用于工业自动化领域的实时工业以太网技术，它具有广泛的适用性，完全符合以太网标准，可以与其他以太网设备及协议并存于同一总线，进而最大化利用以太网宽带进展用户数据传输。同时，Eth

3、erCAT小于100微妙数据的刷新周期使其可以用于伺服技术中底层的闭环控制。EtherCAT还具有很好的同步性能，利用“分布时钟机制可以实现各从站节点之间小于1微妙的时钟同步精度，这在要求分布系统同时工作的场合显得极为重要2。与此同时，ARM嵌入式微处理器正朝着高性能、低功耗的方向开展，其主频越来越高，接口功能越来越丰富，而价格那么越来越低，因此相较于工业PC机它更灵敏，功耗更小，本钱更低。从软件层面上看，一方面，嵌入式Linux操纵系统的构造简单，软件资源丰富，可靠性和重构性都很强，唯一的缺乏是它本身不具备实时性，但是经过实时性的扩展或者改造，可以使其知足机器人控制系统苛刻的实时性要求。另一

4、方面，成熟的开源EtherCAT主站软件，像Etherlab的IgHEtherCATMaster，使得一个完好的EtherCAT主站很轻易的构建在嵌入式Linux系统之上。因此，本文采用嵌入式Linux和Xenomai双内核实时操纵系统方案，结合高性能的嵌入式4核处理器i.MX6Q，实现基于i.MX6Q的嵌入式实时操纵系统，并在此根底上使用IgHEtherCATMaster开源组件构建嵌入式实时EtherCAT主站,并在构建的嵌入式EtherCAT主站上进展了多轴同步控制性能的测试，以及SYNC中断和PDI(ProcessDataInterface)中断相对位置调节功能的测试。1嵌入式实时Li

5、nux系统的实现目前改良Linux系统实时性的方法3主要有两种，一种是采用双内核构造，即在标准的Linux内核中嵌套进一个实时的内核，将其改造成为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那么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，其中典型的代表有RTAI、Xenomai。另一种是直接对Linux内核进展改造，如中断线程化、可抢占的自旋锁等，其中的代表为PREEMPT_RTLinux。在这些改良Linux实时性的技术中，RTAI固然实时性能比拟好，但对ARM的支持不够完善;PREEMPT_RTLinux是针对标准Linux内核设计的通用可移植的实时

6、补丁，但其实时性较差；Xenomai支持的架构很多，对本文中使用的Freescalei.MX6Q处理器支持也比拟完善，比拟合适用来构建嵌入式实时Linux系统。1.1Xenomai实时补丁Xenomai4作为一个自由软件工程，完全遵循GNU/Linux自由软件协议。Xenomai的实现主要是基于ADOES(AdaptiveDomainEnvironmentforOperatingSystems)，通过在操纵系统和硬件之间插入一个由软件实现的ADOES层，来治理和分配硬件层产生的中断信号。ADOES之上可以存在多个内核域，可以对每个域的优先级进展设置，来实现任务优先处理的目的。Xenomai能提

7、供多种针对传统的实时操纵系统的模拟器，该类模拟器可以提供对应的实时程序运行需要的API。Xenomai目前支持Vxworks、pSOS+、POSIX、VRTX等多种成熟实时操纵系统的API。1.2i.MX6Q处理器i.MX6Q5处理器是Freescale的一款基于ARMCortex-A9的高性能四核处理器，其主频高达1.2GHz。它具有32KB/32KB的L1指令/数据高速缓存；动态电压频率调节；内置电源治理模块；强大的图像加速；同时Freescale为其提供了完好的Linux板级支持包，使其非常轻易构建嵌入式Linux系统。1.3构建嵌入式实时Linux系统构建Linux+Xenomai双内

8、核实时操纵系统以i.MX6Q为硬件平台，采用Freescale板级支持包中的imx_3.0.35_4.0.0和xenomai-2.6.3来构建，步骤如下。解压Linux内核源码和Xenomai源码，并进入xenomai源码目录，给Linux内核打Xenomai补丁并配置内核，依次执行以下命令：$./scripts/prepare-kernel.sh-linux=/imx_3.0.35_4.0.0-adeos=/xenomai-2.6.3/ksrc/arch/arm/patches/mxc/adeos-ipipe-3.0.43-mx6q-1.18-12-pre.patch-arch=arm$./

9、scripts/prepare-kernel.sh-linux=/imx_3.0.35_4.0.0-adeos=/xenomai-2.6.3-imx6q/ksrc/arch/arm/patches/mxc/adeos-ipipe-3.0.43-arm-1.18-13.patch-arch=arm$./scripts/prepare-kernel.sh-linux=/imx_3.0.35_4.0.0-adeos=/xenomai-2.6.3-imx6q/ksrc/arch/arm/patches/mxc/adeos-ipipe-3.0.43-mx6q-1.18-12-post.patch-arc

10、h=arm构建成功后，编译已经打上Xenomai实时补丁的Linux内核源码，烧写Linux镜像、根文件系统，上电启动EtherCAT主站。使用dmesg命令检查Xenomai实时内核加载情况，如图1所示，图1Xenomai实时内核打印信息最后进展Xenomai用户空间实时任务调度延迟测试6，测试结果如表1所示，通过测试，可以看到在Xenomai域用户空间，实时任务的调度延迟不受Linux域负载大小的影响；任务调度最大延迟约10微妙，平均延迟约3.5微妙，实时响应性能非常出色，可以知足高精度多轴控制系统的联动控制要求。2嵌入式EtherCAT主站的实现2.1IgHEtherCATMasterI

11、gHEtherCATMaster7是一个基于Linux操纵系统的开源EtherCAT主站软件，使用它可以很轻易的实现EtherCAT主站软件。它支持RTAI、Xenomai、PREEMPT_RT等Linux的实时扩展；此外它提供了常见以太网EtherCAT网卡驱动，同时也提供了基于Linux内核协议栈的generic驱动；分布时钟功能可以同步从站时钟到参考时钟，也可同步从站时钟到主站时钟；同时还支持CoE(CANopenoverEtherCAT)、EoE(EthernetoverEtherCAT)、FoE(FileAccessoverEtherCAT)、SoE(ServoProfileover

12、EtherCAT)等协议。2.2构建嵌入式EtherCAT主站IgHEtherCATMaster是针对通用的PC平台设计的，默认支持x86体系构造的处理器和PCI接口的网卡，因此关键的技术难点是针对ARM架构的i.MX6Q处理器和嵌入式网卡移植本地EtherCAT网卡设备驱动。2.2.1本地EtherCAT网卡设备驱动的移植怎样根据本地EtherCAT网卡设备驱动的实现原理，修改i.MX6Q处理器的网络设备驱动程序以兼容EtherCAT，并没有统一的标准方法，只有一些通用的规那么，这些规那么总结如下：1对所有的EtherCAT设备必须防止调用netif_*()函数，由于EtherCAT设备不经

13、过Linux内核的网络协议栈，所以不能调用网络协议栈提供的这些接口。2EtherCAT设备驱动是在轮询的方式下工作，对EtherCAT设备的所有操纵都是在无中断的情况下进展的，因此应防止使用中断和调用中断注册程序；同时，网卡驱动中无中断而使用轮询方式，数据报文发送完成中断处理函数和数据报文发送函数不会并发执行，不再需要自旋锁保护发送缓冲区。3主站在初始化的时候会分配两个固定的套接字缓冲区socketbuffer，在每次发送的数据报文时，会先在这个sockerbuffer填充新的EtherCAT数据帧，然后将它传递给ndo_start_xmit回调函数。在整个经过中不会创立新的socketbuf

14、fer，因此网络设备驱动也不能像往常一样释放socketbuffer。图26轴同步测试平台2.2.2EtherCAT主站编译移植解压EtherCATMaster源码，并进入EtherCATMaster目录进展配置、编译和安装，依次执行命令如下：$./configure-prefix=/ethercat-1.5.2/install-enable-rtdm-with-xenomai-dir=/xeno/usr/xenomai-enable-hrtimer-enable-generic=no-enable-8139too=no-enable-fec=yes-with-linux-dir=/imx_3

15、.0.35_4.0.0-build=i686-pc-linux-gnu-host=arm-linux-gnueabihf$make;makemodules$makeinstall;makemodules_install在配置中，通过-prefix选项指定安装途径；-enable-rtdm表示使用Xenomai实时补丁；-with-xenomai-dir指定Xenomai库和头文件所在的目录；-enable-hrtimer表示使用内核的高分辨率定时器；-enable-fec表示使能i.MX6Q处理器的本地EtherCAT网络设备驱动；-with-linux-dir指定使用的linux内核途径；-

16、build和host分别表示编译EtherCATMaster源码所使用的平台和编译后得到的镜像在哪个平台上运行。2.3EtherCAT主站同步性能测试在机器人控制系统中，多轴同步性能直接决定着系统多轴联动的精度。EtherCAT可以实现从站之间准确的时钟同步控制，因此本文着重测试将嵌入式实时EtherCAT主站应用到机器人控制系统中后的多轴同步控制性能。测试平台如图2所示，其中EtherCAT从站使用新时达的RS2200、RS2303伺服驱动器，主站通讯形式设置为DC形式，伺服驱动器运行形式采用周期同步位置形式，周期为1ms，使用双通道示波器测试第一个伺服驱动器和最后一个伺服驱动器SYNC中断

17、相对时间差。屡次测量第一个伺服驱动器和最后一个伺服驱动器SYNC中断时间差，该差值小于60ns，知足时钟同步的要求，说明文本构建的实时嵌入式EtherCAT主站可以实现准确的多轴同步控制。如图3图3SYNC中断时间差2.4SYNC中断和PDI中断相对位置调节算法IgHEtherCATMaster主站源码固然实现了EtherCAT主站时钟同步到第一个具有DC(DistributedClocks)功能的EtherCAT从站时钟，也实现了EtherCAT从站时钟同步到EtherCAT主站时钟，但没有实现伺服驱动器中ET1100EtherCAT控制器芯片中SYNC中断和PDI相对位置偏移。本文为了实现

18、该功能，对IgHEtherCATMaster源码进展修改：将EtherCAT源码驱动中发送给ET1100产生SYNC中断开场的时间tsync_start,封装为API供用户空间程序调用。用户空间程序进入周期任务，经过主站时钟同步到参考从站时钟算法处理，SYNC中断和PDI中断相对位置偏移不再变化，即EtherCAT主站时钟已经同步到参考从站时钟。此时，我们可以获取参考从站时间tref_time,那么相对位置偏移Toffset可通过如下公式1计算得出,其中T为通讯周期。1假设我们想让PDI中断相对于SYNC中断偏移50%，即PDI中断在两个SYNC中断中间，其中Tsleep为周期任务下个周期睡眠

19、时间，可应用如下公式2：2经太多次测试说明，经过上述算法处理后，PDI中断相对SYNC中断的位置，确实在我们设定的位置，误差范围在-40us-40us,详细效果如图4所示，图4SYNC中断和PDI中断相对位置图3完毕语本文首先分析了Xenomai实时补丁的实现机制，在基于Freescalei.MX6Q处理器上采用Xenomai实时补丁扩展的方法构建嵌入式实时Linux操纵系统、同时具体的阐述了IgHEtherCATMaster开源软件组成模块的功能，然后将其移植到构建好的嵌入式实时系统上，实现了嵌入式实时EtherCAT主站，然后在构建的嵌入式EtherCAT主站上进展了多轴同步控制性能的测试，以及SYNC中断和PDI中断相对位置调节功能的测试。实验结果说明在基于Linux+Xenomai+i.MX6Q处理器上构建的嵌入式实时EtherCAT主站具有良好的实时性和准确的多轴同步控制性能，可以知足机器人控制系统的要求。