2022年EtherCAT伺服驱动器开发方案 .pdf

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1、华南理工大学国家科技园北京上海广州西安EtherCAT 伺服驱动器开发方案广州虹科电子科技有限公司陈秋苑摘要 ：本文重点介绍EtherCAT伺服驱动器开发中的硬件选型指导（FPGA 方案）。一共有三节内容：包括第一节：EtherCAT从站开发涉及的基本概念，包括FMMU ，ESC，ESI 等等；第二节：如何选择硬件方案（以EtherCAT伺服驱动器为例，包括三个主流方案以及对比方案）；第三节：如何选择软件代码（代码框架、主要功能和要求）。第一节EtherCAT 基本概念EtherCAT 一般设计要求（针对uC+ESC 的方案）：硬件上：主控制器uC+ESC （可选各供应商的EtherCAT从站

2、控制器）操作系统：无特殊要求，根据产品性能决定，也可以不用操作系统软件上：需要完成主控制器uC 对 EtherCAT报文的处理，ESC 一般带开发包可完成移植。难点：如何实现uC 与 ESC 之间的数据交互，可以通过商业版代码直接移植。EtherCAT 一般设计要求（针对FPGA+IPcore 的方案）：软核 IPcore ：从倍福买的是一种封装好的黑盒子的协议语言的东西- 是软体，购买后（一年之内可以随便编译和下载），它可以帮助用户去解析以太网来的数据并处理成EtherCAT的机制。用户拿到后所需要做的事情是在FPGA 上分出一块逻辑资源给它创建一个IPcore ， 然后这个区域可以对接收到

3、的 EtherCAT数据进行解析， 然后传给相应的uC 软核或者硬核 （因为有些客户可能会用DSP+FPGA的方案）去做响应和application。如果没有IPcore ，只依赖于FPGA 上是没法进行EtherCAT解析的，说白了是因为我们不懂规则，不知道怎么处理这些数据，所以IPcore 相当于就是一个解析规则和语言规定的规则。用户在FPGA 分好 IPcore 的资源后，用安装了倍福授权的那个电脑可以把这套黑盒子的语言规则加进来编译，随之生成的编译文件可以发给其他电脑用来下载到固件并完成生产。所以，这个FPGA中的 IPcore 区域就相当于是一个完成了一个硬件ET1100 的工作。名

4、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安IPcore 好处是： 一年之内可以随便在不同的FPGA 上编译和修改， 也可以随便生产任意数量，还不需要受到 ESC 等硬件货期限制。 一年之后如果不需要重新编译和升级的话，那就继续用之前编译好的文件继续下载和生产，生产多少个都可以，但是如果需要重新编译则需要付费（因为之前倍福给的那个license是绑定电脑系统时间的，是一年有效的）。- 注

5、：关于IPcore 的授权和售价以倍福为准，这里只提供参考。KPA 的 EtherCAT从站源代码在这个过程中的作用是：帮FPGA 中的软核uC 或者除了FPGA 外的硬核uC 去处理从IPcore 解析出来的EtherCAT数据。一般从站包括以下三个核心部分：物理层：要有网口数据链路层：有EtherCAT 从站控制器ESC（这是通讯模块）和EEPROM 。应用层：有主控制器或者说应用控制器或微控制器uC（即比如 DSP28346或者 F407 之类的）。对供应商的要求：提供高质量的源代码（代码效率高、EtherCAT性能优化）提供至少一个硬件平台的demo 提供完整的EtherCAT网络诊断

6、和配置工具：以便测试等名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安ESC 即 EtherCAT从站控制器可以通过FPGA(Field Programmable Gate Array)或者 ASIC (Application Specific Integrated Circuit)来完成。EtherCAT 的报文帧结构：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

7、 - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安ESC 即 EtherCAT从站控制器可以通过FPGA(Field Programmable Gate Array)或者 ASIC (Application Specific Integrated Circuit)来完成。EtherCAT通讯的速度和性能与 主控制器（比如DSP28346 ）软件程序的性能互不影响。关于 PDI ：ESC 上的 PDI- Process Data Interface过程数据接口

8、有这几种情况：i. Up to 32 Bit digital I/O ：32 位的数字量IO ii. Serial Peripheral Interface (SPI) ：SPI 总线iii. 8/16-bit synchronous/asynchronous Microcontroller Interface (MCI) ：8/16位的同步 / 异步微控制器接口MCI iv. With FPGA: specific on-board-bus (Avalon on Altera devices resp. OPB on Xilinx devices) ：带FPGA 的：特定的on-board-

9、bus 过程数据和参数是通过ESC 上的 DPRAM来交互的。为了保证数据的一致性，ESC 硬件上会有一些机制：比如同步管理器等。关于 IP 核：从站 IP 核也是属于ESC 的一种形态，也相当于是ESC 的一种，可以理解为IP 核只是替代了ET1100/ET1200。IP 核的功能还是实现了一个从站控制器，处理数据链路，同步事件等硬件事件。就算使用了 IP 核来实现ESC，这也仅仅实现了硬件的接口功能，软件协议并没有加载。还是需要KPA 协议栈来完成从站协议。关于 FPGA :为了实现FPGA ，ESC 会用 IP Core 的方式实现EtherCAT功能和通讯。FMMUs(Fieldbus

10、 Memory Management Units 现场总线内存管理单元)，SyncManagers, DC support, PDI这几个功能是可以配置的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安FPGA 实现方式有两种：一个是在FPGA 上集成 ESC 和一个软核uC，然后用FPGA 的板上总线与主控制器交互。 另外一个方式是：FPGA 只用于 EtherCAT功能部分，然后通过

11、SPI 总线连接到外部的主控制器。关于EEPROM也叫SII ：(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, also called Slave Information Interface, SII) ，它包含在上电后会自动加载到ESC 寄存器的配置信息。EEPROM 可以通过ESI文件的配置工具修改。EEPROM 的内容必须在从站设备厂家再研发时就设置好。下图时EEPROM 的寄存器的值 . 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -

12、- - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安关于应用层的主控制器 uC：主控制器主要实现：i. EtherCAT State Machine (ESM) in the slave device (chapter 1.3.7) ：从站设备的 EtherCAT 状态机 ESM ii. Process data exchange with the slave application (e.g. application and configuration parameters, object dictionary, chapter

13、 2.3.6) ：过程数据交互（配置参数，对象字典等）iii. Mailbox-based protocols for acyclic data exchange (CoE, EoE, FoE, chapter 1.3.6)：非周期数据交互的邮箱协议： CoE, EoE, FoE iv. Optional TCP/IP stack if the device supports EoE ：可选的 TCP/IP 堆栈（前提是设备支持 EoE）uC 的性能只取决于设备功能应用部分而非EtherCAT 通讯部分，大部分情况下，8bit 的 uC 或者 PIC 就够了。 （想表达的是：EtherCAT

14、通讯是不会影响性能的，EtherCAT 协议的一个好处）关于 ESI（EtherCAT Slave Information）: 每个 EtherCAT 设备都必须随货给用户一个ESI 文件，一般是 .xml格式。 ESI 文件是配置工具在离线模式下用来编译网络信息ENI 的（比如过程数据结构，同步命令等）关于 ESC 的 EtherCAT 接口：ESC 最多只能提供4 个 EtherCAT 接口，端口 0 必须定义为输入口。 从站必须提供至少2 个 EtehrCAT 接口。为了避免有些从站只有2 个接口的，所以配合使用的ESC 上的端口 0 和 1 必须使用，端口 3 和 4 可以保留。ESC

15、 总是通过端口0 与主站相连的，与其他从站设备则通过端口1-3 来连接。关于 FMMU ：现场总线内存管理单元：用于映射主站的逻辑过程数据映像和从站设备的物理层（本地）内存。从下图看来：这个FMMU 就是为了从主站发出去的一条报文中找到属于自己从站需要的那条。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安关于同步管理器：SyncManager 不管是 EtherCAT 主站还是从站主控制

16、器PDI 去读取 ESC 的 DPRAM ，这个 DPRAM 的访问都需要确认数据一致性。同步管理器就是一个用来确保DPRAM 中过程数据能被访问的机制：不同时间访问，但是访问到的是一致的。如果从站使用FMMU ，对应数据块的同步管理器位于DPRAM 与 FMMU 之间。EtherCAT 的同步管理器可以在两种模式下操作：邮箱模式：数据交互采用的是握手机制。EtherCAT 主站和 uC 的控制程序只有在对方已经访问完缓冲区的时候才能继续访问。发送方在写入缓冲区的时候，缓冲区被锁定for writing 直到接收方已经全部读完。邮箱模块一般用于应用程协议和非周期数据的交互（比如参数设置）名师资

17、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安缓冲模式：缓冲模式一般用于周期性数据交互，比如过程数据，因为缓冲模式允许任何时候EtherCAT 主站和从站主控制器uC 都可以访问通讯缓冲区。发送方总是可以更新缓冲区的内容。如果缓冲区被写入的数据快于接收方去读取的速度，则旧的数据就会被丢掉。因此，接收方永远都是收到最新的而且与缓冲区内容一致的数据。注意：同步管理器如果工作在缓冲模式下，则需要比分

18、配在DPRAM 中的过程数据大小大三倍。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安第二节如何选择硬件拿 EtherCAT伺服驱动器作为从站硬件举例，EtherCAT 伺服驱动器的开发方案有多重选项：（1）纯总线驱动器，不带脉冲、模拟量、液晶等外设。所有指令和操作全部通过EtherCAT 。可以使用的方案为： ESC+DSP，FPGA（IP 核） +DSP 或单 FPGA（软核 /硬核

19、 +IP）。 KPA 从站协议加载在DSP、软核或者硬核上，难度在于FPGA 的 IP 核与软核技术、FPGA 内部高速总线的应用和调试。（2）总线 +传统驱动器。总线+传统驱动器。同时支持EtherCAT 和传统的脉冲、模拟量等。可以使用的方案为： ESC+DSP+FPGA （CPLD ）， FPGA（IP 核） +DSP。不管哪种EtherCAT 伺服驱动器，几个比较重要的方案对比如下（只是列出常见情况）：KPA 从站协议的作用：使得微控制器（DSP、软核 uBlazer 、ARM硬核）能够处理ESC 中的数据，完成交互，以及根据EtherCAT 的运行机制来处理相关事件和过程数据的读写。

20、器件方案ESC+DSP+FPGA（或 CPLD）FPGA（IP 核） +DSP只有 FPGA(IP 核)与 非 总 线 伺服 驱 动 器 的对比相当于再传统的伺服驱动器上加了一个ESC 而已。FPGA 比传统的驱动器多加载了一个IP核，用于完成EtherCAT 通讯。高效低成本的模式： FPGA 加载 IP核，完成EtherCAT 、数据交互和处理、运动控制算法处理等。也有两种选择：一类是纯FPGA，一 类 是SoC器 件 （ FPGA+A9 ARM ）。KPA 协议栈移植的关系KPA 代码直接移植到DSP：DSP直 接 从ESC 拿 一 些EtherCAT数据，ESC 自动完成数据采集，不需

21、要对ESC做额外的开发。DSP 与 ESC之间通过SPI/ 并口等方式连接。1、KPA 代码移植到DSP：DSP 去拿FPGA 软核的 EtherCAT 数据；2、KPA 代码移植到FPGA 软核（ KPA有 uBlazer的样机代码） ：比如：FPGA上加载 IP 核，内建一个uBlazer的 32位处理器称为软核，软核上跑KPA 从站协议栈。DSP 通过SPI/ 并口访问uBlazer处理出来的PDO 和 SDO 数据。KPA 代码加载在内建的软核 （比如xilinx 的 uBlazer ）或者硬核（比如 xilinx 的 zynq ）（KPA 有 uBlazer的 demo+国内团队正在

22、开发的基于 zynq 的 demo ）：即 FPGA 上集成 ESC 和一个软核uC，然后用FPGA 的片内总线与主控制器交互。FPGA的 工作量FPGA 还是做传统的工作： 管理外设， IO 数据处理等。（CPLD 任然适用）FPGA 加载 IP 核，除了传统工作量， 还包括了通过加载的IP 核实现 EtherCAT数据的采集和发送， 相当于 FPGA 完成了 ESC的功能 + 管理了需要的外设+IO数据处理等 （CPLD 将不再适用，需要25k 以上逻辑容量的FPGA）FPGA 完成了： EtherCAT数据处理、运动控制算法、外设管理、IO运算等等全部工作。性价比评估成本相对最高，开发难

23、度小。现阶段的主流方案。只是需要考虑DSP 与 ESC之间的数据交互就可以。成本较低，开发难度适中。最近比较流行，估计未来比较受欢迎。多了 IP 核的开发难度。性价比最高， 难度最大， 性能最佳：如果是纯 FPGA，难度在于，（ 1）调试从站IP，（ 2）调试uBlazer软核（ kPA 从站协议加载于此），（3）用uBlazer或 FPGA 实现FOC 等算法。如果使用 SOC， 调试 uBlazer 的工名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - -

24、 - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安作变成了调试ARM A9 ， 算法可以用 ARM 或 fpga 实现， KPA 从站协议加载在ARMEtherCAT相 关 的 器 件费用器件最多， 器件成本最高 （当然也还有其他外围器件，比如phy 等）；有些 ESC 有购买门槛，比如ET1100/ET1200必须是 ETG会员，而且货期可能在4-6个月；每个产品都需要购买ESCIP 核目前一般是只有倍福有，收费方式是前期付一次性的较高的开发费用，后期每年收年费， 没有货期影响 (具体收费方式请以倍福为准)。 生产的硬件数量不受限制。器件最少，器件成本最低。IP 核同左。重

25、要概念：关于 IP 核：从站 IP 核也是属于ESC的一种形态， 也相当于是 ESC 的一种， 可以理解为IP 核只是替代了ET1100/ET1200。IP 核的功能还是实现了一个从站控制器，处理数据链路，同步事件等硬件事件。就算使用了IP 核来实现 ESC，这也仅仅实现了硬件的接口功能，软件协议并没有加载。还是需要KPA 协议栈来完成从站协议。关于FPGA :为了实现FPGA，ESC 会用 IP Core的方式实现EtherCAT功能和通讯。 FMMUs(Fieldbus Memory Management Units 现场总线内存管理单元)，SyncManagers, DC support

26、, PDI这几个功能是可以配置的。FPGA 实现方式有两种：一个是在FPGA 上集成 ESC 和一个软核uC，然后用 FPGA 的片内总线与主控制器交互。另外一个方式是： FPGA 只用于 EtherCAT功能部分，然后通过SPI/ 并口总线连接到外部的主控制器。FPGA 硬核是指比如Xilinx 的ZYNQ 。总结 ：DSP，ARM ，甚至是 51、AVR 等单片机，都属于 C，由C+ESC 构成的从站属于复杂从站（或者说处理纯IO 以外的从站都属于复杂从站）。C 与 ESC 进行交互，须履行从站协议，才能通过PDI 接口从 ESC中读取到相关的数据。一般来说，任何的从站开发过程都和Ethe

27、rCAT数据帧没有关系了，这个工作是ESC 去做的。对于从站开发，只需要在一个C 上加载从站协议，并做好C 与 ESC之间的通信机制的适配（如并口/SPI）。不管这个ESC 是真实的 ESC 器件，还是 IP 核。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安第三节如何选择软件代码？应用程序的设计可以参考免费样本代码或者商业版代码。商业版代码是收费的，免费代码功能较少但是免费。目前免费

28、代码面临的状态：a) 目前从站协议栈提供了匮乏的API 以及没有深入的支持。其结果是一个平坦的学习过程。b) 对象字典要求多次迭代，每个ESI 和SII 文件都需要进行适配。需要手动进行同步。c) 有时协议栈需要一个操作系统，但是一个操作系统的抽象层没有被提供。工程师需求：强大的API、一个能够保持所有文件一致的工具和一个抽象层；有丰富开发经验的技术支持团队商业版代码能做到哪些呢？（1）商业版代码是用于加速从站开发的一个工具。主要特性是将一堆的功能代码整合成API，用户根据需要的功能调用相关的API 即可。用于在微控制器、DSP 或FPGA 上运行。（2）完善的技术支持以及一年的一致性认证指导

29、（3） KPA方便的对比 SII和ESI ，也就是 xml的描述和本地 EEPROM 里的描述对比（4）调试、诊断工具：KPA Studio ，用于研发、测试、调试使用。主要体现在完善的诊断信息、数据记录（采集记录从站变量数据）、寄存器查看。（5） SII 编辑器用来编辑从站的SII 并与 ESI 相一致的进行保存。从ESI、二进制文件或从站中读取从站信息。将 SII 数据保存为二进制文件或载入到从站。ESI 与SII 比较器能够从一个从站或者提供的文件中直接捕获 SII 内容并对比区别，然后以用户定义的颜色进行高亮显示c) 完成了硬件平台的适配（x86、ppc、ARM ），与确认的操作系统，

30、如：Xenomal 用户 /内核空间商业版代码授权方式：注册单位内部使用，可重复使用，不限开发人员，仅限注册单位内部。一次性买断。如果使用免费样本代码，可以说设计一个简单从站是比较容易的，但是要做一个伺服驱动这样一个复杂从站是有一定难度的。考察商业版代码的重要特性：代码占用空间多大？KPA 支持 8位和 16位微控制器，比如： SAB 80 x16x (Infineon), ARM 3.9 (ARM), ATmega128 (Atmel), ppc 52xx, MPC8536 (Freescale), MicroBlaze (Xilinx), Sitara (TI) 代码空间大小依赖于Obje

31、ct Dictionary对象字典和 Process Image 过程映像的大小： ROM (flash) size = 64kB Standard (55kB Basic) RAM size = 8kB Standard (3kB Basic) Operating System Abstraction 采用操作系统抽象层技术，便于移植到不同操作系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上

32、海广州西安使用来自于 ROM/flash 内存 / ECS s EEPROM的标准 xml 文件或者用户自定义的对象字典描述数据，生成或改变对象字典的运行时间（runtime ）动态跟踪代码执行情况，提高调试和诊断效率设置过程映像交互的不同扫描速率支持虚拟 NIC（另选项）一般商业版代码的框架结构：最后，对商业版代码与免费样本代码做个简单的对比：Feature 商业版（以 KPA为例）免费样本代码支持的输入/输出SM数量无限制在样例中只支持一个输入和输出SM 过程镜像处理过程镜像和对象的数据交换API功能（通常调用一个功能就足够）过程镜像必须在应用中进行处理对象字典创建在应用代码中创建或从一个

33、OD.xml 文件中装载（标准形式）在应用代码中创建对象与变量绑定每个对象条目都可以和独立的变量进行保定（通过其指针）一个对象不能由一些不同的变量组成 仅有一个指针能绑定整个对象（如，对象条目的所有变量结构）CoE 对象参数支持所有参数，该过程在协议栈中完成不支持对象的最大、最小和默认值灵活映射用户在固定和非固定映射之间没有区别只有固定映射可以在样例应用中实现CoE SDO 处理在协议栈中完全支持邮箱储存残片不被支持用于对象和条目描述从站协议的易操作性对于常规的从站应用，调用一点点API 功能就足够了一些从站的功能必须要在应用中实现（如：过程镜像处理）SDO 和状态变换事件SDO 回调函数和状

34、态变换事件都被支持，并且可以在运行过程中设置或移除SDO 和状态变换事件的代码处理必须包含在从站协议源码中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - 华南理工大学国家科技园北京上海广州西安Feature 商业版（以 KPA为例）免费样本代码从站协议库操作系统抽象层（OSAL ）使用了一系列功能一个静态库可以作为一个协议的独立部分来根据平台创建使用定义（ #define ，#ifdef ）来适配平台。平台与独立的协议不能独

35、立作为一个库没有OSAL 网络配置 /诊断软件-生成和导出 xml 文件-配置采样率-主站和从站配置-网络诊断和故障原因分析-数据、报文帧记录-其他NO 主站仿真-安装在 windows 操作系统，用于模拟EtherCAT 主站，可以与其他EtherCAT 从站设备实现通讯NO 赠送一个 MCU 平台的demo ：如STM32 等NO 其他基本要求 ：1.完全支持 CoE，包括 EMCY 紧急报文； 2.支持动态 PDO 映射；3. SDO 完全支持 SDO ，特别是 SDO Expedited Transfer，SDO 段传输等4.含对应的工具生成ESI文件并修改 ESI文件； 5.通过 O

36、D.xml 创建对象字典6.完整的分布时钟功能；7.提供至少一个已经测试过的硬件平台的demo 国内成熟经验 ： 28335+ET1100、 STM32F103+ET1100、 STM32F205+ET1100、 STM32F103+LAN9252、STM32F103+IP Core，2016 Q1 完成的 FPGA(IPcore)-。倍福的 IPcore FPGA 方案支持 Xilinx 以及 Altera 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -