基于 RT-Thread專業(yè)版的EtherCAT主站方案

（一） 方案介紹

本方案基于 RT-Thread 專業(yè)版，在RT-Thread端集成EtherCAT主站協(xié)議，通過EtherCAT對伺服電機或遠程IO進行實時控制，具備傳輸速度快，實時性高，擴展設備靈活等特點。在 RT-Thread實時操作系統(tǒng)上運行 EtherCAT主站協(xié)議，大大提高了實時性，極大降低了循環(huán)同步抖動時間，可滿足各種對實時性要求苛刻的應用場景。

以下是在瑞芯微 RK3568平臺上實現(xiàn) EtherCAT 主站控制匯川 SV630ND 伺服驅動電機運行的演示圖。

圖1-1 RK3568混合部署EtherCAT控制匯川SV630ND控制器

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) 是由德國倍福公司在2003年提出的工業(yè)以太網(wǎng)技術，具有很高的實時性。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信中每一個節(jié)點都是按照接收，處理和轉發(fā)這個三個流程進行，而EtherCAT則是同時傳輸和處理EtherCAT數(shù)據(jù)。EtherCAT已成為工業(yè)自動化領域中最受歡迎的總線協(xié)議之一，被廣泛應用于機器人、自動化生產線、運動控制等場景。

EtherCAT使用標準的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，單從以太網(wǎng)角度看，EtherCAT是二層網(wǎng)絡，常說的MAC層，以太網(wǎng)幀頭使用以太網(wǎng)類型0x88A4來和其他以太網(wǎng)幀相區(qū)別。所以在EtherCAT主站中通?？梢栽谝蕴W(wǎng)驅動層通過數(shù)據(jù)幀頭識別，分離出TCPIP數(shù)據(jù)幀和EtherCAT數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧和EtherCAT協(xié)議棧共同使用。

圖1-2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結構一個完整的數(shù)據(jù)幀結構如圖1-3所示：

圖1-3 EtherCAT數(shù)據(jù)幀完整結構

EtherCAT數(shù)據(jù)位于以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)區(qū)，EtherCAT數(shù)據(jù)由EtherCAT頭和若干EtherCAT數(shù)據(jù)報文組成。其中EtheRCAT頭中記錄了EtherCAT數(shù)據(jù)報的長度、和類型，類型為1表示與從站通訊。EtherCAT數(shù)據(jù)報文內包含多個子報文，每個子報文又由子報文頭、數(shù)據(jù)和WKC域組成。子報文結構含義如下:

圖1-4 EtherCAT子報文結構含義

下圖為一個EtherCAT數(shù)據(jù)幀傳輸動態(tài)過程：

圖1-5 EtherCAT數(shù)據(jù)幀傳輸過程

EtherCAT在伺服電機控制器上的應用中通常是基于CANopen的CiA402標準規(guī)范。這套配置文件規(guī)范標準化了伺服驅動器、變頻器和步進電機控制器的功能行為。在EtherCAT中，通常被稱為COE(CANopen Over EtherCAT)。COE中定義了狀態(tài)機，控制字，狀態(tài)字，參數(shù)值，它們映射到過程數(shù)據(jù)對象(PDO)配置文件已經(jīng)在IEC 61800-7系列規(guī)范中進行了部分國際化標準。

圖1-6 EtherCAT COE框架圖

（二） 方案功能特點

?正式授權：RT-Thread 成功加入EtherCAT Technology Group（ETG），已是該組織的正式會員，可提供合作伙伴相關授權。

?性能卓越：相對于設定了相同循環(huán)時間的其他總線系統(tǒng)，EtherCAT 系統(tǒng)結構通常能減少 25%-30%的 CPU 負載?？梢愿纳瓶刂凭?，獲得更高的吞吐量，并降低成本；RT-Thread硬實時內核調度，可滿足各種對實時性要求苛刻的應用場景；結合千兆網(wǎng)卡及EtherCAT技術，過程控制數(shù)據(jù)能夠實時、快速、高效的傳輸?shù)焦?jié)點，具備極低的通信延遲、高效數(shù)據(jù)處理能力、支持分布式時鐘，循環(huán)時間小于10us (雙軸伺服16字節(jié)IN+16字節(jié)OUT)；

?支持全面：EtherCAT主站支持COE、VOE、SOE、EOE、FOE，可靈活移植適配，不需要復雜初始化配置即可運行，提供全面 API 接口及使用示例，主站部署更簡單；

?顯控一體：可基于 RT-Thread 混合部署方案，控制顯示界面可部署在 Linux 端，使用 Qt 或其他圖形庫開發(fā)顯示界面，控制方案在 RT-Thread 實現(xiàn)，實現(xiàn)實時運動控制。

?快速啟動：可單獨運行 RT-Thread，上面直接部署運動控制方案及輕量級圖形界面，實現(xiàn)系統(tǒng)快速啟動，上電3秒內即可顯示圖形界面，進行完整控制。

?調試便利：提供專業(yè) RT-Thread Studio IDE支持，支持Jlink仿真調試，可通過圖形化工具一站式開發(fā)，編譯，下載，調試，可支持斷點，單步跟蹤，變量查看等功能，開發(fā)更高效；

?日志存儲：提供日志存儲功能，所有運動控制及其他相關重要日志數(shù)據(jù)都可以被高效，可靠的保存到存儲器中。

（三） 方案演示視頻

該 Demo 演示基于RK3568開發(fā)板，通過EtherCAT連接匯川SV630ND控制器進行雙路伺服電機控制，EtherCAT循環(huán)控制周期為1ms，更新時間小于10us。軟件框架如下圖所示：