前 言

本文檔主要基于評估板演示IgH EtherCAT主站的伺服電機(jī)實(shí)時控制，方案基于Linux-RT實(shí)時內(nèi)核與開源IgH EtherCAT協(xié)議棧。本文檔適用開發(fā)環(huán)境：

開發(fā)環(huán)境

Windows開發(fā)環(huán)境：Windows10 64bit

Linux開發(fā)環(huán)境：VMware16.2.5、Ubuntu22.04.4 64bit

LinuxSDK開發(fā)包：LinuxSDK-[版本號]（基于SDK_2025.1）

交叉編譯工具鏈：

應(yīng)用開發(fā)：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu

U-Boot、內(nèi)核開發(fā)：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu

評估板系統(tǒng)版本：U-Boot-2021.01、Linux-6.1.111、Buildroot-2022.02

備注：本文基于8GByteeMMC、1GByteDDR配置核心板進(jìn)行演示。

伺服驅(qū)動器：臺達(dá)ASD-A2-0121-E

伺服電機(jī)：臺達(dá)ECMA-C10401GS

術(shù)語表

為便于閱讀，下表對文檔出現(xiàn)的關(guān)鍵術(shù)語進(jìn)行解釋；對于廣泛認(rèn)同釋義的術(shù)語，在此不做注釋。

注意事項(xiàng)

我司提供的IgH EtherCAT主站開發(fā)案例igh_ethercat_dc_motor位于產(chǎn)品資料“4-軟件資料Demobase-demos”目錄下，具體說明如下。

IgHEtherCAT簡介

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）是一個開放架構(gòu)，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其名稱的CAT為控制自動化技術(shù)(Control Automation Technology)字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng)。自動化對通訊一般會要求較短的資料更新時間（或稱為周期時間）、資料同步時的通訊抖動量低，而且硬件的成本要低，EtherCAT開發(fā)的目的就是讓以太網(wǎng)可以運(yùn)用在自動化應(yīng)用中。

本文檔主要介紹運(yùn)行于Linux系統(tǒng)的免費(fèi)開源EtherCAT主站程序——IgH EtherCAT。IgH EtherCAT是EtherCAT協(xié)議主站協(xié)議棧的開源實(shí)現(xiàn)，它為用戶提供了免費(fèi)使用、修改和定制源代碼的便利，使得用戶能夠根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整和優(yōu)化EtherCAT主站的功能。其框架如下所示。

圖 1

IgHEtherCAT主站通過構(gòu)建Linux字符設(shè)備，應(yīng)用程序通過對字符設(shè)備的訪問實(shí)現(xiàn)與EtherCAT主站模塊的通信。

IgH EtherCAT開發(fā)包提供EtherCAT工具，該工具提供各種可在Linux用戶層運(yùn)行的命令，可直接實(shí)現(xiàn)對從站的訪問和設(shè)置，如設(shè)置從站地址、顯示總線配置、顯示PDO數(shù)據(jù)、讀寫SDO參數(shù)等。

IgH EtherCAT官網(wǎng)：https://www.etherlab.org/en/ethercat。

案例說明

案例功能：EtherCAT通訊周期時間為1ms，控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并通過串口循環(huán)打印EtherCAT通訊周期時間的最大值和最小值。

（1）正轉(zhuǎn)：伺服電機(jī)目標(biāo)速度從0加速到10000，當(dāng)達(dá)到10000速度后，控制伺服電機(jī)減速至0，循環(huán)運(yùn)行。

（2）反轉(zhuǎn)：伺服電機(jī)目標(biāo)速度從0加速到-10000，當(dāng)達(dá)到-10000速度后，控制伺服電機(jī)減速至0，循環(huán)運(yùn)行。

圖 2

案例測試

本案例需基于Linux-RT內(nèi)核運(yùn)行。請先參考《Linux系統(tǒng)開發(fā)手冊》的“替換Kernel”章節(jié)修改系統(tǒng)內(nèi)核鏡像。

本案例程序均設(shè)置為SCHED_FIFO進(jìn)程調(diào)度策略，進(jìn)程優(yōu)先級設(shè)置為最高，采用隔離CPU核心狀態(tài)，分別在空載狀態(tài)、滿負(fù)荷狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行程序12小時。

請使用網(wǎng)線將評估板ETH1 RGMII網(wǎng)口連接至伺服驅(qū)動器A的IN網(wǎng)口，再使用另一根網(wǎng)線將伺服驅(qū)動器A的OUT網(wǎng)口連接至伺服驅(qū)動器B的IN網(wǎng)口。

圖 3

圖 4

隔離CPU核心

本次操作以隔離CPU1核心為例進(jìn)行演示。將評估板斷電，長按"Ctrl + C"按鍵并上電啟動評估板，進(jìn)入U-Boot命令行模式后松開按鍵，執(zhí)行如下命令修改環(huán)境變量，隔離CPU1核心。

U-Boot# setenv mmc_boot 'if mmc dev ${devnum}; then devtype=mmc; if test ${devnum} -eq 0; then setenv bootargs '"'"'console=ttyS1,115200n8 earlycon=uart,mmio32,0xf8401000 loglevel=8 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootfstype=ext4 rootwait isolcpus=1'"'"'; fi; if test ${devnum} -eq 1; then setenv bootargs '"'"'console=ttyS1,115200n8 earlycon=uart,mmio32,0xf8401000 loglevel=8 root=/dev/mmcblk1p2 rw rootfstype=ext4 rootwait isolcpus=1'"'"'; fi; ext4load mmc ${devnum}:2 ${kernel_addr_r} ${bootdir}/${kernel_image}; ext4load mmc ${devnum}:2 ${fdt_addr_r} ${bootdir}/${devicetree_image}; bootm ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}; run scan_dev_for_boot_part2; fi'

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

圖 5

進(jìn)入評估板文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，確認(rèn)已正確隔離CPU。

Target# cat /proc/cmdline

圖 6

測試完成，如需恢復(fù)U-Boot環(huán)境變量，在U-Boot命令行模式執(zhí)行以下命令。

U-Boot# env default -a

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

圖 7

安裝IgHEtherCAT驅(qū)動

請將案例"igh_ethercatimages"目錄下的ethercat-stable-[版本號]-[Git序列號].tar.gz壓縮包拷貝至評估板文件系統(tǒng)任意目錄下。版本號、Git序列號請以實(shí)際情況為準(zhǔn)。將案例bin目錄下的igh_ethercat_dc_motor可執(zhí)行文件拷貝至評估板文件系統(tǒng)。

執(zhí)行如下命令，解壓IgH EtherCAT開發(fā)包源碼，得到_install文件夾。

Target# tar -xvf ethercat-stable-1.6.2-g285cdf0.tar.gz

圖 8

執(zhí)行如下命令，并查詢評估板網(wǎng)卡物理地址。

Target# ifconfig

圖 9

執(zhí)行如下命令，加載驅(qū)動模塊，命令中"6A:71:14:3D:61:75"為評估板網(wǎng)卡物理地址，請根據(jù)實(shí)際情況修改。

Target# insmod -f _install/modules/ec_master.ko main_devices=6A:71:14:3D:61:75

圖 10

執(zhí)行如下命令，拷貝EtherCAT主站相關(guān)文件至評估板文件系統(tǒng)。

Target# mkdir -p /etc/sysconfig

Target# cp _install/etc/sysconfig/ethercat /etc/sysconfig

Target# mkdir -p /lib/modules/$(uname -r)

Target# cp _install/modules/ec_master.ko /lib/modules/$(uname -r)

Target# depmod -a

備注：此處的警告信息不影響測試結(jié)果，忽略即可。

圖 11

執(zhí)行如下命令，啟動EtherCAT主站。

Target# ./_install/etc/init.d/ethercat start

圖 12

執(zhí)行如下命令，加載ec_generic.ko驅(qū)動文件。

Target# insmod -f _install/modules/ec_generic.ko

圖 13

執(zhí)行如下命令，添加動態(tài)鏈接庫路徑。

Target# export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/root/_install/lib

Target# sync

圖 14

基于CPU空載狀態(tài)測試

執(zhí)行如下命令修改內(nèi)核printk日志等級，避免內(nèi)核打印信息影響實(shí)時測試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

圖?15

調(diào)整內(nèi)存分配策略為"2"，禁用內(nèi)存過度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進(jìn)程而產(chǎn)生延遲，影響測試結(jié)果。

Target# echo 2> /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖?16

執(zhí)行如下命令，可查看igh_ethercat_dc_motor程序相關(guān)參數(shù)信息。

Target# ./igh_ethercat_dc_motor --help

圖 17

參數(shù)解釋

-d：指定電機(jī)轉(zhuǎn)向，0：正轉(zhuǎn)，1：反轉(zhuǎn)。

-v：程序版本信息。

-s：選擇進(jìn)程調(diào)度策略模式。"-s 0"表示進(jìn)程調(diào)度策略為SCHED_FIFO；"-s 1"表示進(jìn)程調(diào)度策略為SCHED_DEADLINE，若不帶可選參數(shù)值[]則使用默認(rèn)參數(shù)值，其中sched_runtime表示運(yùn)行時間，sched_deadline表示相對期限，sched_period表示周期，單位均為納秒。

--help：查看程序運(yùn)行參數(shù)。

執(zhí)行以下命令，設(shè)置進(jìn)程調(diào)度策略為SCHED_FIFO，控制兩臺伺服電機(jī)同時正轉(zhuǎn)，并將程序運(yùn)行輸出的打印信息保存至log.txt文件。

Target# taskset -c 1 ./igh_ethercat_dc_motor -d 0 -s 0 > log.txt &

圖 18

基于CPU滿負(fù)荷狀態(tài)測試

執(zhí)行如下命令修改內(nèi)核printk日志等級，避免內(nèi)核打印信息影響實(shí)時測試。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

圖 19

調(diào)整內(nèi)存分配策略為"2"，禁用內(nèi)存過度使用。避免出現(xiàn)OOM(Out-of-Memory) Killer攻擊某些進(jìn)程而產(chǎn)生延遲，影響測試結(jié)果。

Target# echo 2> /proc/sys/vm/overcommit_memory

圖?20

執(zhí)行如下命令，運(yùn)行stress壓力測試工具，使得CPU處于滿負(fù)荷狀態(tài)。

Target# stress-ng --cpu 2 --cpu-method=all --io 2 --vm 2 --vm-bytes 32M --timeout 43200s &

圖?21

設(shè)置進(jìn)程調(diào)度策略為SCHED_FIFO，控制兩臺伺服電機(jī)同時正轉(zhuǎn)，并將程序運(yùn)行輸出的打印信息保存至log.txt文件。

Target# taskset -c 1 ./igh_ethercat_dc_motor -d 0 -s 0 > log.txt &

圖 22

統(tǒng)計結(jié)果分析

可執(zhí)行如下命令，查看程序運(yùn)行輸出的log.txt內(nèi)容。

Target# head -n100 log.txt

圖 23

參數(shù)解析：

latency：等待喚醒時間(ns)。

period：EtherCAT通訊周期時間(ns)，本案例設(shè)置為1000000ns，即1ms。

exec：接收和發(fā)送EtherCAT數(shù)據(jù)時間(ns)。

對log.txt文件內(nèi)容進(jìn)行分析后，得到的實(shí)時性能測試結(jié)果如下。

備注：

（1）以上數(shù)據(jù)為本次測試結(jié)果，測試數(shù)據(jù)僅供參考。

（2）如需測試電機(jī)反轉(zhuǎn)，請參考上述電機(jī)正轉(zhuǎn)測試方法，將運(yùn)行igh_ethercat_dc_motor可執(zhí)行程序命令中的"-d 0"參數(shù)修改為"-d 1"。

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審核編輯 黃宇