基于Zynq UltraScale+MPSoC高性能EtherCAT主站方案

1. 技術背景

EtherCAT 是開放的實時以太網通訊協議，由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT 具有高性能、低成本、容易使用等特點，目前在技業領域有著廣泛的應用。

ZCU102 評估套件可幫助設計人員快速啟動面向汽車、工業、視頻以及通信應用的設計。該套件具有基于 Xilinx 16nm FinFET+ 可編程邏輯架構的 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 支持所有可實現各種應用開發的主要外設及接口。

KPA EtherCAT 主站是一套質量穩定、知名度和性價比較高的 EtherCAT 協議棧，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（以太網控制自動化技技）是一種用于確定性以太網的高性能工業通信協議，它擴展了 IEEE 802.3 以太網標準，使得數據傳輸中具有可預測性定時及高精度同步等特點。這個開放性標 準作為 IEC 61158 的組成部分，常用于機械設計及運動控制等應用中。EtherCAT 采用標準的 IEEE802-3 以太網幀，幀結構如圖 1。EtherCAT 協議直接用標準以太網的幀格式傳輸數據，并不修改其基本結構。

EtherCAT 實現了 CANopen 協議，在 CANopen 中周期性的數據通過 PDO（過程數據對象）來傳輸，PDO 優先級較高，可用于實時傳輸。非周期性的數據比如配置參數和對象字典等則通過 SDO（服務數據對象）來傳輸。

每個 PDO 都包含單個或多個從設備的地址，這種數據加地址的結構（附帶用于校驗的傳輸計數位）組成了 EtherCAT 的報文。每個 Ethernet 幀可能包含數個報文，而一個周期中可能需要多幀來傳送所需的所有報文。

傳統的以太網通信解決方案從站先接受以太網數據包，然后解釋和復制過程數據，最后轉發數據。而EtherCAT 以太網幀在特殊的硬件模塊的幫助下可以實現在傳輸的同時被處理。每個從節點都有 FMMU（現場總線存儲管理單元），FMMU 會對經過的數據包進行地址分析，發現是本節點的 數據就會讀取，同時報文轉發給下一個設備。同樣在報文通過的時候也可以插入需要傳輸的數據。讀取/插入/轉發數據的整個過程，報文只有幾納秒的延遲。如圖 2 所示，設想以太網的幀就像行駛中的火車，EtherCAT 報文是每節火車車廂，PDO 數據的比特就是車廂內的乘客，這些數據可以被提取并插入到合適的從設備中。整輛火車不停止地穿越所有從設備，在末端從設備處又掉頭，重新反向穿越所有從設備。（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主站軟件根據功能不同，提供了Basic，Standard，Premium以及Extension四個版本主站協議棧，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（記錄數據和報文）、Access Rights（設置不同的訪問權限）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的現成開發包，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要求的一款主站方案。

KPA主站協議棧采用模塊化的架構，可以實現每個特殊的項目應用。它使得主站可以自由擴展以適應不同大小的應用程序、可以移植不同的操作系統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，而且不會破壞其他模塊的完整性。主站結構如圖

KPA主要功能模塊為：

（1）應用層：應用層負責與各種不同的編程/配置環境交互，負責與不同的應用或設備交互。確保在應用或過程任務端順利訪問主站功能函數；與主站通過Remote Procedure Calls服務交互，提供了TCP/IP以及UDP連接，比如：通過UDP與從站設備進行mailbox相關的通訊

（2）Mailbox Module：EtherCAT主站核心mailbox模塊利用不同的協議處理服務數據對象（SDP），數據傳輸以及數據交換。支持CoE,FoE，EoE，SoE,VoE，AoE等郵箱服務。

（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/過程任務訪問過程映像是由主站接口執行的。

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

（5）Frame Schedule Module幀調度模塊：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。幀調度表模塊管理EtherCAT幀速率，轉發它們到EtherCAT網絡驅動。

（6）OSAL操作系統抽象層模塊：包含與操作系統相關的功能函數的包裝，比如處理線程、計時器、互斥量等；包括網絡適配驅動器模塊：從底層的網絡實現提取主站堆棧的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主站開發板以及外擴的FMC網卡。KPA MAC IPcore在PL端構建了FPGA網卡，FreeRTOS 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操作系統指令輸入，PC端上的EtherCAT網絡診斷配置工具KPA EtherCAT Studio通過RPC服務連接ZCU102主站板，可以實現對主站和從站的配置，掃描生成網絡配置文件。

2.3 KPA EtherCAT主站移植

2.3.1 硬件開發板

Xilinx HW-Z1-ZCU102 revision1.1

2.3.2 EtherCAT主站軟件開發包

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

進入mdk_a53samples路徑下修改對應樣例程序，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 創建運行程序

進入mdk_a53externalsboot路徑，根據readme文件以及24_DriveRotationCiA402.bif文件；

拷貝zcu102_freeRTOS內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進入到externalsboot路徑下，生成boot.bin

將boot.bin文件拷貝到SD卡中，設置開發板SD卡啟動，上電運行

2.4 主站性能數據

網絡配置：Beckhoff EK1100+EL1004+EL2004+EL6692 (60 bytes frame)。

運行在R5 CP（x32）上測試數據：

運行在A53 CPU（x64）上測試數據：

3. 第三方抓包工具性能分析方法

一般情況下EtherCAT主站性能測試會關注主站通訊周期，circle time是否穩定，抖動多少，因此可以設置在不同的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，郵箱任務周期是5ms（主站周期的5倍）

對Wireshark數據包進行針對性分析，設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入op狀態的，這里是33900，意味著33900前的報文不能用于分析circle time，因為pdo數據/周期性數據只在從站進入op后才被發送

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（表示從主站發出，未經過從站）的周期性報文，選擇三角進行報文排序，可以是從小到大，或者從大到小。

最小周期是999.496us


審核編輯：湯梓紅