基于Zynq平台的EtherCAT主站方案实现(一)

EtherCAT 是开放的实时以太网通讯协议，由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT 具有高性能、低成本、容易使用等特点，目前在技业领域有着广泛的应用。ZZynq-7000是赛灵思公司（Xilinx）推出的行业第一个全可编程SoC产品,它将双核ARM Cortex-A9处理器，低功耗可编程逻辑以及常用的外设紧密集成在一起。ZedBoard是基于XC7Z020器件的低成本开发板，此板可以运行基于Linux，Android，WinCE或其他嵌入式OS/ RTOS的设计。

KPA EtherCAT 主站是一套质量稳定、知名度和性价比较高的 EtherCAT 协议栈，有较大参考价值。本文将介绍KPA EtherCAT 主站在Zynq平台的移植与测试。



第一节EtherCAT简介




EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一种用于确定性以太网的高性能工业通信协议，它扩展了IEEE 802.3以太网标准，使得数据传输中具有可预测性定时及高精度同步等特点。这个开放性标准作为IEC 61158的组成部分，常用于机械设计及运动控制等应用中。EtherCAT采用标准的IEEE802-3以太网帧，帧结构如图1。EtherCAT协议直接用标准以太网的帧格式传输数据，并不修改其基本结构。
            

图1 EtherCAT数据帧

EtherCAT实现了CANopen协议，在CANopen中周期性的数据通过PDO（过程数据对象）来传输，PDO优先级较高，可用于实时传输。非周期性的数据比如配置参数和对象字典等则通过SDO（服务数据对象）来传输。
每个PDO都包含单个或多个从设备的地址，这种数据加地址的结构（附带用于校验的传输计数位）组成了EtherCAT的报文。每个Ethernet帧可能包含数个报文，而一个周期中可能需要多帧来传送所需的所有报文。
传统的以太网通信解决方案从站先接受以太网数据包，然后解释和复制过程数据，最后转发数据。而EtherCAT以太网帧在特殊的硬件模块的帮助下可以实现在传输的同时被处理。每个从节点都有FMMU（现场总线存储管理单元），FMMU会对经过的数据包进行地址分析，发现是本节点的数据就会读取，同时报文转发给下一个设备。同样在报文通过的时候也可以插入需要传输的数据。读取/插入/转发数据的整个过程，报文只有几纳秒的延迟。如图2所示，设想以太网的帧就像行驶中的火车，EtherCAT报文是每节火车车厢，PDO数据的比特就是车厢内的乘客，这些数据可以被提取并插入到合适的从设备中。整辆火车不停止地穿越所有从设备，在末端从设备处又掉头，重新反向穿越所有从设备。（注：EtherCAT不仅支持主从通讯，也支持从从通讯即S2S）

图2 EtherCAT数据传输

第二节 EtherCAT 主从站软硬件简介

2.1 KPA EtherCAT主站软件介绍
KPA EtherCAT主站软件根据功能不同，提供了Basic，Standard，Premium以及Extension四个版本主站协议栈，因此除了支持ETG1500定义了Class A和Class B两种主站类型外，KPA还支持一些拓展功能比如：Data- and Frame-Logger（记录数据和报文）、Access Rights（设置不同的访问权限）Multi Master（多主站，冗余）、Cable Redundancy （线缆冗余）、Hot-Connect（热插拔）、其他。

提供了基于多种不同硬件平台和OS的现成开发包，支持SoC（ARM+FPGA）/ARM/X86 /PowerPC等主流硬件平台，支持Linux（Xenomai/RT-preempt）/ Windows(INtime/RTX)/ QNX/ Ucos/Vxworks等。几乎满足目前所有用户主站开发要求的一款主站方案。

KPA主站协议栈采用模块化的架构，可以实现每个特殊的项目应用。它使得主站可以自由扩展以适应不同大小的应用程序、可以移植不同的操作系统和各种各样的硬件平台。每个模块可以单独定制化或者二次开发，而且不会破坏其他模块的完整性。主站结构如图3

图 3 KPA EtherCAT主站构架

KPA主要功能模块为：
（1） 应用层：应用层负责与各种不同的编程/配置环境交互，负责与不同的应用或设备交互。确保在应用或过程任务端顺利访问主站功能函数；与主站通过Remote Procedure Calls服务交互，提供了TCP/IP以及UDP连接，比如：通过UDP与从站设备进行mailbox相关的通讯
（2） Mailbox Module：EtherCAT主站核心mailbox模块利用不同的协议处理服务数据对象（SDP），数据传输以及数据交换。支持CoE,FoE，EoE，SoE,VoE，AoE等邮箱服务。
（3） Process Image Module过程映像模块：Process Image简称PI，它的地址是由EtherCATnetwork information (ENI) 文件提出的，ENI文件可由配置工具KPA Studio自动生成。从控制/过程任务访问过程映像是由主站接口执行的。
（4） Distribution Clock分布时钟模块：使得所有的EtherCAT设备（包括主站和从站）总是能够共享相同的EtherCAT系统时间。这是通过补偿编译和漂移时间来实现的。
（5） Frame Schedule Module帧调度模块：不同PDO采用不同的扫描周期。在配置工具KPA Studio里，用户可以单独定义每个从站的扫描速率。帧调度表模块管理EtherCAT帧速率，转发它们到EtherCAT网络驱动。
（6）OSAL操作系统抽象层模块：包含与操作系统相关的功能函数的包装，比如处理线程、计时器、互斥量等；包括网络适配驱动器模块：从底层的网络实现提取主站堆栈的core核心

2.2 KPAEtherCAT主站硬件介绍
主站硬件主要由三部分组成见图4：PC端、Zedboard主站开发板以及外扩的FMC网卡。PC通过串口终端来实现操作系统指令输入，PC端上的EtherCAT网络诊断配置工具KPA EtherCAT Studio通过RPC服务连接Zedboard主站板，可以实现对主站和从站的配置，扫描生成网络配置文件。Zedboard作为EtherCAT主站板具体可参考http://zedboard.org/product/zedboard。

图4硬件架构图

图5 硬件内部架构

另外，KPA利用主站板的FPGA资源，独立外扩网卡，而不是使用主站板ARM上的网卡驱动，主站开发包中提供的Timer IP Core和NIC IPCore，利用逻辑单元PL，构建针对EtherCAT优化的MAC，提供了针对EtherCAT优化的NIC驱动，IP Core提供了Shift Sending Time设置，从端口降低有操作系统引起的数据帧抖动，从而优化了数据在收发时的抖动的问题。

图6 KPA Zynq Master优势