基于嵌入式Linux平臺EtherCAT主站設計

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(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016；2.上海航天控制技術研究所，上海 201109)

0 引言

隨著工控的發展，伺服驅動器進入高精度時代，多軸控制的應用越來越廣泛，如數控機床[1]、多自由度機器人[2]、汽車系統[3]和3D打印[4]等。多軸控制實時性與同步性問題是影響運動控制精度的重要因素，因此有必要對其進行深入的研究。

針對上述問題，國內外學者們做了相關研究。熊晶洲等[5]采用虛擬主軸法，在虛擬主軸耦合下，實現了位移/載荷比例條件下的四軸同步運動，利用雙向加載試驗系統進行了試驗驗證。Jeong等[6]引入最大誤差比較方法，使得位置同步誤差最小，實驗結果表明該方法有效提高了四軸控制系統同步性。孫瑞芳等[7]在此基礎上提出偏差耦合同步控制策略，通過擴展交叉耦合方案，將系統中的每個單元的反饋信號與其他單元的反饋信號進行比較，并將每個軸得到的反饋信息作為補償傳遞到各軸控制器中，從而提高系統的同步性能。Sato等[8]提出了一種可以補償伺服延遲的前饋控制器，通過多軸加工的仿真，驗證該方法在包括旋轉軸的多軸同步運動中的有效性。張愷玉等[9]提出了一種基于CAN總線的多軸電機同步的方法，通過算法控制定時器產生脈沖，從而實現多軸的同步。張高維等[10]提出了確定性調度配合延時補償的方法，利用卡爾曼濾波算法，采用時隙劃分調度測量保證數據交換的確定性，通過RBF對系統延時預測值進行補償，使系統跟隨延時自動調整，試驗證明該方法有效提高了同步精度。

本文提出一種基于嵌入式Linux平臺的EtherCAT主站方案。該方案主要完成嵌入式Linux平臺的實時嵌入式操作系統設計，改寫BeagleBone平臺的繼承網卡驅動，采用分布時鐘動態同步機制實現多軸同步的實時性以及同步性能，最后通過兩軸伺服控制平臺進行了試驗驗證。

1 基于嵌入式平臺的EtherCAT方案

方案采用BeagleBone開發板作為設計的硬件平臺。基于嵌入式Linux的主站設計方案主要分為3個層面，分別是用戶層、內核層和執行層。設計方案如圖1所示。

圖1 基于嵌入式Linux的EtherCAT主站方案

用戶層包括主站對總線上的從站描述文件的解析，xml描述文件包含從站ID信息、從站相關可操控的對象字典，以及用戶應用層控制程序。

內核層包括內核實時化，采用實時內核對Linux標準內核進行實時化改造，構建實時操作系統，并通過測試系統的實時任務調度延時來測試系統的實時性。其次在實時系統上移植IgH主站框架，在實時任務中調用IgH主站的API函數。IgH是EtherCAT協議的實現，可完成總線的通信工作，包括總線上數據的收發解析，以及同步時鐘的動態補償。在內核層，網卡驅動是極其重要的一環，將網卡設備直接提交給主站管理，并且在EtherCAT數據傳輸中，數據不經過網絡堆棧，由于任務的強實時性，數據幀的回收是可預知的，可關閉一些中斷。

執行層是從站上的伺服驅動設備，并連接有相應的電機以及其他IO模塊設備，提供輸入輸出信號。執行層通過網線接收來自總線上的數據幀，從數據幀上獲取針對自己的任務執行數據，或者是將需要上傳的數據放入數據幀中傳回給主站模塊。

2 基于Xenomai實時操作系統設計

EtherCAT總線主站要求Linux系統具有較強的實時性，但標準內核的Linux操作系統并不是硬實時操作系統，所以需要對Linux內核的實時性改造。本設計采用Xenomai實時內核，構造Linux+Xenomai的雙內核系統，Xenomai的中斷管道管理機制能有效管理任務優先級以及中斷事件，并且為實時應用的開發提供豐富的接口和功能。經過改造后的系統內核架構如圖2所示。

圖2 實時系統內核框架

在Linux標準內核中嵌入Xenomai實時核的流程是：通過Xenomai腳本將它與Linux內核聯系起來，并打上必要的補丁；在Linux內核的配置中，需要使能Xenomai，并且關閉Linux內核中CPU頻率縮放等功能的配置；交叉編譯Linux內核以及Xenomai實時核，將編譯完成的鏡像、庫等文件移植到開發板上。

3 基于EtherCAT的分布時鐘

分布時鐘是EtherCAT協議中最重要的功能。在工控領域和運動領域，需要多軸之間具有高精度的同步性能。IgH的分布時鐘[11]功能使得總線上的所有設備使用相同的系統時鐘tsys_ref，產生SYNC信號，從而控制設備同步執行各自的任務。總線上的每個設備都有自己的本地時鐘tlocal(n)，系統會計算初始時鐘偏差Toffset(n)并將其補償寫進總線上的從站設備，使得設備全部同步到參考時鐘。假設從站本地時鐘大于參考時鐘，則有

tlocal(n)=tsys_ref+Toffset(n)

(1)

從站之間的時鐘差主要是由傳輸延時Tdelay(n)和初始偏移量造成，假設數據幀到達參考時鐘(從站0)的時刻是T1時刻，到達第n個從站時的時刻為T2(n)，則有tlocal=T2(n)，此時關系為

T2(n)-T1=Toffset(n)+Tdelay(n)

(2)

整理上述等式，可得

Toffset(n)=T2(n)-T1-Tdelay(n)

(3)

數據幀經過總線上所有的從站后返回，當數據幀再次經過第n個從站時，時刻為T(n)，最后數據幀再次到達參考時鐘，時刻為T4。假設線纜上傳輸時間一樣，所有從站處理數據幀時間一樣，則傳輸延時可計算得

Tdelay(n)=[(T4-T1)-(T3(n)-T2(n))]/2

(4)

同時由于設備的本地時鐘存在偏移以及偏移累加，系統會定時刷新總線上設備的時鐘，保證設備間的同步性能。

4 基于ARM網絡芯片驅動設計

EtherCAT主站的驅動模塊就是網卡的驅動模塊[12]，主站將數據報文包裝成以太網的格式，通過網卡接收和發送數據報文。IgH框架中網卡驅動部分主要有2種形式：第1種是通用網卡驅動，即可支持所有網卡驅動，但是在實時性上效果比較差；第2種是本地網卡驅動，這是一類針對特定網卡做出特定的驅動修改，以適應高效的傳輸速率和極端的傳輸延時。2種網卡驅動的區別如圖3所示，本研究采用第2種網卡驅動方式。

本文設計基于ARM集成網卡，并對此網絡芯片驅動進行優化。如圖4所示，優化的主要內容是：首先，將網卡設備的打開關閉等動作交給主站模塊，取消設備在內核系統中的注冊；其次，EtherCAT設備不經過網絡堆棧，所以屏蔽所有的網絡堆棧接口函數；同時，由于EtherCAT協議的實時性，使得總線上的數據幀的回收時間可預知，所以關閉原網卡驅動程序中的中斷函數，改寫成定時輪詢函數；最后，主站在每次發送完成功后并不釋放socket緩沖區。在每次發送時，重新將數據幀填滿socket，然后將其傳遞給hard_start_xmit()回調函數。

圖3 通用網卡驅動與本地網卡驅動

圖4 網卡驅動設計流程

5 主站系統試驗驗證與分析

采用集成TI網卡的BeagleBone開發板，硬件上運行自行設計的主站系統作主站平臺。搭建一主兩從的伺服控制平臺，兩軸采用串聯線型頭結構，如圖5所示。

圖5 兩軸伺服控制平臺

5.1 系統實時性測試

5.1.1 系統任務調度測試及延時測試

在Xenomai內核模式下，運行測試程序latency，設定周期1 ms，測試時長5 min，測試系統的任務調度延時性[13]。測試結果：最大調度延時為36.397 μs(3.640%)，最小調度延時為1.952 μs(0.195%)。

在從站傳輸延時測試中，從主站發送下來的數據幀在從站間的傳輸，由于從站之間的物理傳輸介質以及從站對數據幀的處理需要時間，導致從站接收數據幀有一定的延時。測試總線伺服驅動器以及另外3個IO模塊，測試結果如圖6所示。

圖6 從站傳輸延時結果

5.1.2 伺服從站控制抓包測試

在從站控制測試中，設置任務周期1 ms，上位機主站針對所有從站發送從站控制指令，通過Wireshark抓包測試，測試數據包中的數據信息以及程序控制周期。從幾萬次的抓包結果中，隨機選取100組數據，得到如圖7所示的結果。結果顯示抓包周期間隔在任務周期1 ms上下浮動20 μs，占比2%。同時對數據幀進行分析，可知操作計數器WCK的值正確變化，即讀操作+1，寫操作+2，數據幀中正確顯示對伺服從站的控制數據。

圖7 總線數據幀抓包測試

5.2 同步性測試

本測試是在改造后的網絡芯片驅動下，采用Rohde & Schwarz示波器，任務周期為1 ms，測試伺服從站同步引腳sync0中斷信號之間的同步時間差，測試時長1 min，采樣10萬余次，測試結果如圖8所示。

由圖8可知：同步誤差負峰值為-56.571 ns，如B點所示；正峰值為13.155 ns，如A點所示；C點同步時間差是0 ns，表示完全同步。其中，最大同步誤差對應負峰值56.571 ns，并且測試結果給出了平均同步時間差20.178 ns。此測試數據具有良好的說服力，即主站具有優秀的同步性能。

圖8 從站同步性測試

6 結束語

本文設計并實現了基于嵌入式Linux平臺的EtherCAT主站方案，進行了基于Xenomai的Linux實時操作系統改造，完成了ARM集成網卡的網絡芯片驅動設計改造。搭建了一主二從試驗平臺，并進行了相關試驗驗證。結果表明，所設計的嵌入式Linux平臺下的EtherCAT主站具有優越的實時性以及同步性能。