基于Zynq UltraScale+ MPSoC高性能EtherCAT主站方案

1 技術(shù)背景

EtherCAT 是開放的實時以太網(wǎng)通訊協(xié)議，由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。EtherCAT 具有高性能、低成本、容易使用等特點，目前在技業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

ZCU102 評估套件可幫助設(shè)計人員快速啟動面向汽車、工業(yè)、視頻以及通信應(yīng)用的設(shè)計。該套件具有基于 Xilinx 16nm FinFET+ 可編程邏輯架構(gòu)的 Zynq? UltraScale+? MPSoC 器件，提供一款四核 ARM? Cortex?-A53、雙核 Cortex-R5F 實時處理器以及一款 Mali?-400 MP2 圖像處理單元。ZCU102 支持所有可實現(xiàn)各種應(yīng)用開發(fā)的主要外設(shè)及接口。

KPA EtherCAT 主站是一套質(zhì)量穩(wěn)定、知名度和性價比較高的 EtherCAT 協(xié)議棧，有較大參考價值。本文將介紹KPA EtherCAT 主站在ZCU102平臺的移植與測試

2 EtherCAT簡介

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技技）是一種用于確定性以太網(wǎng)的高性能工業(yè)通信協(xié)議，它擴(kuò)展了 IEEE 802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)傳輸中具有可預(yù)測性定時及高精度同步等特點。這個開放性標(biāo) 準(zhǔn)作為 IEC 61158 的組成部分，常用于機(jī)械設(shè)計及運動控制等應(yīng)用中。EtherCAT 采用標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802-3 以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖 1。EtherCAT 協(xié)議直接用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的幀格式傳輸數(shù)據(jù)，并不修改其基本結(jié)構(gòu)

EtherCAT 實現(xiàn)了 CANopen 協(xié)議，在 CANopen 中周期性的數(shù)據(jù)通過 PDO（過程數(shù)據(jù)對象）來傳輸，PDO 優(yōu)先級較高，可用于實時傳輸。非周期性的數(shù)據(jù)比如配置參數(shù)和對象字典等則通過 SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對象）來傳輸。

每個 PDO 都包含單個或多個從設(shè)備的地址，這種數(shù)據(jù)加地址的結(jié)構(gòu)（附帶用于校驗的傳輸計數(shù)位）組成了 EtherCAT 的報文。每個 Ethernet 幀可能包含數(shù)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(tǒng)的以太網(wǎng)通信解決方案從站先接受以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后解釋和復(fù)制過程數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而EtherCAT 以太網(wǎng)幀在特殊的硬件模塊的幫助下可以實現(xiàn)在傳輸?shù)耐瑫r被處理。每個從節(jié)點都有 FMMU（現(xiàn)場總線存儲管理單元），F(xiàn)MMU 會對經(jīng)過的數(shù)據(jù)包進(jìn)行地址分析，發(fā)現(xiàn)是本節(jié)點的 數(shù)據(jù)就會讀取，同時報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一個設(shè)備。同樣在報文通過的時候也可以插入需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。讀取/插入/轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的整個過程，報文只有幾納秒的延遲。如圖 2 所示，設(shè)想以太網(wǎng)的幀就像行駛中的火車，EtherCAT 報文是每節(jié)火車車廂，PDO 數(shù)據(jù)的比特就是車廂內(nèi)的乘客，這些數(shù)據(jù)可以被提取并插入到合適的從設(shè)備中。整輛火車不停止地穿越所有從設(shè)備，在末端從設(shè)備處又掉頭，重新反向穿越所有從設(shè)備。（注：EtherCAT不僅支持主從通訊，也支持從從通訊即S2S）

2.1 KPA EtherCAT主站軟件介紹

KPA EtherCAT主站軟件根據(jù)功能不同，提供了Basic，Standard，Premium以及Extension四個版本主站協(xié)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(shù)據(jù)和報文）、Access Rights（設(shè)置不同的訪問權(quán)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(xiàn)成開發(fā)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(fā)要求的一款主站方案。

KPA主站協(xié)議棧采用模塊化的架構(gòu)，可以實現(xiàn)每個特殊的項目應(yīng)用。它使得主站可以自由擴(kuò)展以適應(yīng)不同大小的應(yīng)用程序、可以移植不同的操作系統(tǒng)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(fā)，而且不會破壞其他模塊的完整性。主站結(jié)構(gòu)如圖

KPA主要功能模塊為：

（1）應(yīng)用層：應(yīng)用層負(fù)責(zé)與各種不同的編程/配置環(huán)境交互，負(fù)責(zé)與不同的應(yīng)用或設(shè)備交互。確保在應(yīng)用或過程任務(wù)端順利訪問主站功能函數(shù)；與主站通過Remote Procedure Calls服務(wù)交互，提供了TCP/IP以及UDP連接，比如：通過UDP與從站設(shè)備進(jìn)行mailbox相關(guān)的通訊

（2）Mailbox Module：EtherCAT主站核心mailbox模塊利用不同的協(xié)議處理服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDP），數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)交換。支持CoE,FoE，EoE，SoE,VoE，AoE等郵箱服務(wù)。

（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(wù)訪問過程映像是由主站接口執(zhí)行的。

（4）Distribution Clock分布時鐘模塊：使得所有的EtherCAT設(shè)備（包括主站和從站）總是能夠共享相同的EtherCAT系統(tǒng)時間。這是通過補(bǔ)償編譯和漂移時間來實現(xiàn)的。

（5）Frame Schedule Module幀調(diào)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(diào)度表模塊管理EtherCAT幀速率，轉(zhuǎn)發(fā)它們到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。

（6）OSAL操作系統(tǒng)抽象層模塊：包含與操作系統(tǒng)相關(guān)的功能函數(shù)的包裝，比如處理線程、計時器、互斥量等；包括網(wǎng)絡(luò)適配驅(qū)動器模塊：從底層的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)提取主站堆棧的core核心

2.2 KPA EtherCAT主站硬件介紹

主站硬件主要由三部分組成見下圖：ZCU102主站開發(fā)板以及外擴(kuò)的FMC網(wǎng)卡。KPA MAC IPcore在PL端構(gòu)建了FPGA網(wǎng)卡，F(xiàn)reeRTOS master既可以運行在R5 CPU中也可以運行在A53 CPU中，另外需要一臺PC通過串口終端來實現(xiàn)操作系統(tǒng)指令輸入，PC端上的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)診斷配置工具KPA EtherCAT Studio通過RPC服務(wù)連接ZCU102主站板，可以實現(xiàn)對主站和從站的配置，掃描生成網(wǎng)絡(luò)配置文件。

2.3 KPA EtherCAT主站移植

2.3.1 硬件開發(fā)板
Xilinx HW-Z1-ZCU102 revision1.1

2.3.2 EtherCAT主站軟件開發(fā)包
MDK_xilinx-2018.3_freertos_a53_trial_v2.4.48714.0-release.zip
HW_SAMPLE_xilinx-2018.3_freertos_a53_trial_v2.4.48714.0-release.zip

2.3.3 軟件編譯
將MDK_xilinx-2018.3_freertos_a53_trial_v2.4.48714.0-release.zip解壓到mdk_a53文件夾下

進(jìn)入mdk_a53samples路徑下修改對應(yīng)樣例程序，此處每個不同的樣例程序包含不同的API，具有不同的功能，此處以24_DriveRotationCiA402為例，這是一個簡單運行單軸伺服的樣例程序，為了適配邁信伺服驅(qū)動器，需保持C文件中的描述和ENI文件描述一致，修改后保存

進(jìn)入mdk_a53下，打開build.bat，修改編譯器路徑，路徑是xilinx SDK安裝路徑

運行cmd，進(jìn)入該路徑下，運行build.bat,編譯所有樣例代碼，包括編譯24樣例，在buildsamples路徑下生成24_DriveRotationCiA402.elf文件

2.3.4 創(chuàng)建運行程序

進(jìn)入mdk_a53externalsboot路徑，根據(jù)readme文件以及24_DriveRotationCiA402.bif文件；

拷貝zcu102_freeRTOS內(nèi)vivado工程生成的design_1_wrapper.bit()文件到該路徑下,覆蓋原來bit文件；

拷貝zcu102_freertosproject_1project_1.sdkfsblRelease下的fsbl.elf到該路徑下，覆蓋原來fsbl.elf文件；

拷貝buildsamples路徑下生成的24_DriveRotationCiA402.elf到該路徑下；

拷貝生成的ENI文件（master.xml）文件到該路徑下

打開Xilinx XSCT tool進(jìn)入到externalsboot路徑下，生成boot.bin

將boot.bin文件拷貝到SD卡中，設(shè)置開發(fā)板SD卡啟動，上電運行

2.4 主站性能數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)配置：Beckhoff EK1100+EL1004+EL2004+EL6692 (60 bytes frame)。

運行在R5 CP（x32）上測試數(shù)據(jù)：

運行在A53 CPU（x64）上測試數(shù)據(jù)：

3 第三方抓包工具性能分析方法

一般情況下EtherCAT主站性能測試會關(guān)注主站通訊周期，circle time是否穩(wěn)定，抖動多少，因此可以設(shè)置在不同的circle time，比如2ms，1ms，500us，250us，125us等條件下測試抖動，可以采用第三方的抓包工具+wireshark進(jìn)行報文分析，不同主站周期，需要修改代碼以及ENI文件的circle time，此處以1ms主站周期，郵箱任務(wù)周期是5ms（主站周期的5倍）

對Wireshark數(shù)據(jù)包進(jìn)行針對性分析，設(shè)置時間顯示格式如下

使用ecat.ado == 0x130命令，過濾出從站在第幾條報文處進(jìn)入op狀態(tài)的，這里是33900，意味著33900前的報文不能用于分析circle time，因為pdo數(shù)據(jù)/周期性數(shù)據(jù)只在從站進(jìn)入op后才被發(fā)送

分析周期性報文，注意到每個周期性報文包含三個子報文(邏輯尋址)以及一個DC相關(guān)的ARMW命令

過濾出周期性報文，使用該指令ecat.sub1.cmd == LRD && ecat.sub1.cnt == 0，過濾出子報文1為LRD且計算器值為0（表示從主站發(fā)出，未經(jīng)過從站）的周期性報文，選擇三角進(jìn)行報文排序，可以是從小到大，或者從大到小

最小周期是999.496us