摘要：工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT越來越多地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，其中將EtherCAT總線應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)建EtherCAT主站。本文設(shè)計了基于Freescalei.MX6Q處理器EtherCAT主站的解決方案。首先，在i.MX6Q處理器上構(gòu)建了Linux和Xenomai雙內(nèi)核實時操作系統(tǒng)；然后使用了開源的IgHEtherCATMaster在其上構(gòu)建嵌入式實時EtherCAT主站；最后，使用設(shè)計EtherCAT主站在新時達(dá)伺服驅(qū)動器上進(jìn)行了同步時鐘功能、SYNC中斷和PDI中斷相對位置調(diào)節(jié)功能的開發(fā)。測試結(jié)果表明，在Freescalei.MX6Q處理器上構(gòu)建基于Linux+Xenomai雙內(nèi)核實時操作系統(tǒng)的EtherCAT主站可以滿足高精度的多軸控制系統(tǒng)的聯(lián)動控制。

隨著高速高精度控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線在控制系統(tǒng)中的運(yùn)行越來越廣泛[1]。其中，EtherCAT是一種應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它具有廣泛的適用性，完全符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以與其他以太網(wǎng)設(shè)備及協(xié)議并存于同一總線，從而最大化利用以太網(wǎng)寬帶進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)傳輸。同時，EtherCAT小于100微妙數(shù)據(jù)的刷新周期使其可以用于伺服技術(shù)中底層的閉環(huán)控制。EtherCAT還具有很好的同步性能，利用“分布時鐘”機(jī)制可以實現(xiàn)各從站節(jié)點之間小于1微妙的時鐘同步精度，這在要求分布系統(tǒng)同時工作的場合顯得極為重要[2]。

與此同時，ARM嵌入式微處理器正朝著高性能、低功耗的方向發(fā)展，其主頻越來越高，接口功能越來越豐富，而價格則越來越低，因此相較于工業(yè)PC機(jī)它更靈活，功耗更小，成本更低。從軟件層面上看，一方面，嵌入式Linux操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，軟件資源豐富，可靠性和重構(gòu)性都很強(qiáng)，唯一的不足是它本身不具備實時性，但是經(jīng)過實時性的擴(kuò)展或改造，可以使其滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)苛刻的實時性要求。另一方面，成熟的開源EtherCAT主站軟件，像Etherlab的IgHEtherCATMaster，使得一個完整的EtherCAT主站很容易的構(gòu)建在嵌入式Linux系統(tǒng)之上。

因此，本文采用嵌入式Linux和Xenomai雙內(nèi)核實時操作系統(tǒng)方案，結(jié)合高性能的嵌入式4核處理器i.MX6Q，實現(xiàn)基于i.MX6Q的嵌入式實時操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上使用IgHEtherCATMaster開源組件構(gòu)建嵌入式實時EtherCAT主站,并在構(gòu)建的嵌入式EtherCAT主站上進(jìn)行了多軸同步控制性能的測試，以及SYNC中斷和PDI(ProcessDataInterface)中斷相對位置調(diào)節(jié)功能的測試。

1嵌入式實時Linux系統(tǒng)的實現(xiàn)

目前改進(jìn)Linux系統(tǒng)實時性的方法[3]主要有兩種，一種是采用雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)，即在標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核中嵌套進(jìn)一個實時的內(nèi)核，將其改造成為具有雙內(nèi)核的異構(gòu)系統(tǒng)。所有實時任務(wù)都運(yùn)行在微內(nèi)核上，非實時的Linux則作為實時內(nèi)核的一項優(yōu)先級最低的任務(wù)來托管所有的非實時任務(wù)，其中典型的代表有RTAI、Xenomai。另一種是直接對Linux內(nèi)核進(jìn)行改造，如中斷線程化、可搶占的自旋鎖等，其中的代表為PREEMPT_RTLinux。

在這些改進(jìn)Linux實時性的技術(shù)中，RTAI雖然實時性能比較好，但對ARM的支持不夠完善;PREEMPT_RTLinux是針對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核設(shè)計的通用可移植的實時補(bǔ)丁，但其實時性較差；Xenomai支持的架構(gòu)很多，對本文中使用的Freescalei.MX6Q處理器支持也比較完善，比較適合用來構(gòu)建嵌入式實時Linux系統(tǒng)。

1.1Xenomai實時補(bǔ)丁

Xenomai[4]作為一個自由軟件項目，完全遵循GNU/Linux自由軟件協(xié)議。Xenomai的實現(xiàn)主要是基于ADOES(AdaptiveDomainEnvironmentforOperatingSystems)，通過在操作系統(tǒng)和硬件之間插入一個由軟件實現(xiàn)的ADOES層，來管理和分配硬件層產(chǎn)生的中斷信號。ADOES之上可以存在多個內(nèi)核域，可以對每個域的優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置，來實現(xiàn)任務(wù)優(yōu)先處理的目的。Xenomai能提供多種針對傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)的模擬器，該類模擬器可以提供對應(yīng)的實時程序運(yùn)行需要的API。Xenomai目前支持Vxworks、pSOS+、POSIX、VRTX等多種成熟實時操作系統(tǒng)的API。

1.2i.MX6Q處理器

i.MX6Q[5]處理器是Freescale的一款基于ARMCortex-A9的高性能四核處理器，其主頻高達(dá)1.2GHz。它具有32KB/32KB的L1指令/數(shù)據(jù)高速緩存；動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)；內(nèi)置電源管理模塊；強(qiáng)大的圖像加速；同時Freescale為其提供了完整的Linux板級支持包，使其非常容易構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)。

1.3構(gòu)建嵌入式實時Linux系統(tǒng)

構(gòu)建Linux+Xenomai雙內(nèi)核實時操作系統(tǒng)以i.MX6Q為硬件平臺，采用Freescale板級支持包中的imx_3.0.35_4.0.0和xenomai-2.6.3來構(gòu)建，步驟如下。

解壓Linux內(nèi)核源碼和Xenomai源碼，并進(jìn)入xenomai源碼目錄，給Linux內(nèi)核打Xenomai補(bǔ)丁并配置內(nèi)核，依次執(zhí)行以下命令：

$./scripts/prepare-kernel.sh\--linux=~/imx_3.0.35_4.0.0\--adeos=~/xenomai-2.6.3/ksrc/arch/arm/patches/mxc/adeos-ipipe-3.0.43-mx6q-1.18-12-pre.patch\

--arch=arm

$./scripts/prepare-kernel.sh\--linux=~/imx_3.0.35_4.0.0\

--adeos=~/xenomai-2.6.3-imx6q/ksrc/arch/arm/patches/mxc/adeos-ipipe-3.0.43-arm-1.18-13.patch\

--arch=arm

$./scripts/prepare-kernel.sh\--linux=~/imx_3.0.35_4.0.0\--adeos=~/xenomai-2.6.3-imx6q/ksrc/arch/arm/patches/mxc/adeos-ipipe-3.0.43-mx6q-1.18-12-post.patch\

--arch=arm

構(gòu)建成功后，編譯已經(jīng)打上Xenomai實時補(bǔ)丁的Linux內(nèi)核源碼，燒寫Linux鏡像、根文件系統(tǒng)，上電啟動EtherCAT主站。使用dmesg命令檢查Xenomai實時內(nèi)核加載情況，如圖1所示，

圖1Xenomai實時內(nèi)核打印信息

最后進(jìn)行Xenomai用戶空間實時任務(wù)調(diào)度延遲測試[6]，測試結(jié)果如表1所示，

通過測試，可以看到在Xenomai域用戶空間，實時任務(wù)的調(diào)度延遲不受Linux域負(fù)載大小的影響；任務(wù)調(diào)度最大延遲約10微妙，平均延遲約3.5微妙，實時響應(yīng)性能非常出色，可以滿足高精度多軸控制系統(tǒng)的聯(lián)動控制要求。

2嵌入式EtherCAT主站的實現(xiàn)

2.1IgHEtherCATMaster

IgHEtherCATMaster[7]是一個基于Linux操作系統(tǒng)的開源EtherCAT主站軟件，使用它可以很容易的實現(xiàn)EtherCAT主站軟件。它支持RTAI、Xenomai、PREEMPT_RT等Linux的實時擴(kuò)展；此外它提供了常見以太網(wǎng)EtherCAT網(wǎng)卡驅(qū)動，同時也提供了基于Linux內(nèi)核協(xié)議棧的generic驅(qū)動；分布時鐘功能可以同步從站時鐘到參考時鐘，也可同步從站時鐘到主站時鐘；同時還支持CoE(CANopenoverEtherCAT)、EoE(EthernetoverEtherCAT)、FoE(FileAccessoverEtherCAT)、SoE(ServoProfileoverEtherCAT)等協(xié)議。

2.2構(gòu)建嵌入式EtherCAT主站

IgHEtherCATMaster是針對通用的PC平臺設(shè)計的，默認(rèn)支持x86體系結(jié)構(gòu)的處理器和PCI接口的網(wǎng)卡，因此關(guān)鍵的技術(shù)難點是針對ARM架構(gòu)的i.MX6Q處理器和嵌入式網(wǎng)卡移植本地EtherCAT網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動。

2.2.1本地EtherCAT網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動的移植

如何根據(jù)本地EtherCAT網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)原理，修改i.MX6Q處理器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序以兼容EtherCAT，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法，只有一些通用的規(guī)則，這些規(guī)則總結(jié)如下：

（1）對所有的EtherCAT設(shè)備必須避免調(diào)用netif_*()函數(shù)，因為EtherCAT設(shè)備不經(jīng)過Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，所以不能調(diào)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供的這些接口。

（2）EtherCAT設(shè)備驅(qū)動是在輪詢的方式下工作，對EtherCAT設(shè)備的所有操作都是在無中斷的情況下進(jìn)行的，因此應(yīng)避免使用中斷和調(diào)用中斷注冊程序；同時，網(wǎng)卡驅(qū)動中無中斷而使用輪詢方式，數(shù)據(jù)報文發(fā)送完成中斷處理函數(shù)和數(shù)據(jù)報文發(fā)送函數(shù)不會并發(fā)執(zhí)行，不再需要自旋鎖保護(hù)發(fā)送緩沖區(qū)。

（3）主站在初始化的時候會分配兩個固定的套接字緩沖區(qū)（socketbuffer），在每次發(fā)送的數(shù)據(jù)報文時，會先在這個sockerbuffer填充新的EtherCAT數(shù)據(jù)幀，然后將它傳遞給ndo_start_xmit回調(diào)函數(shù)。在整個過程中不會創(chuàng)建新的socketbuffer，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動也不能像往常一樣釋放socketbuffer。

圖26軸同步測試平臺

2.2.2EtherCAT主站編譯移植

解壓EtherCATMaster源碼，并進(jìn)入EtherCATMaster目錄進(jìn)行配置、編譯和安裝，依次執(zhí)行命令如下：

$./configure\

--prefix=~/ethercat-1.5.2/install

--enable-rtdm\

--with-xenomai-dir=~/xeno/usr/xenomai\

--enable-hrtimer\

--enable-generic=no\

--enable-8139too=no\

--enable-fec=yes\

--with-linux-dir=~/imx_3.0.35_4.0.0\

--build=i686-pc-linux-gnu\

--host=arm-linux-gnueabihf\

$make;makemodules

$makeinstall;makemodules_install

在配置中，通過--prefix選項指定安裝路徑；--enable-rtdm表示使用Xenomai實時補(bǔ)??；--with-xenomai-dir指定Xenomai庫和頭文件所在的目錄；--enable-hrtimer表示使用內(nèi)核的高分辨率定時器；--enable-fec表示使能i.MX6Q處理器的本地EtherCAT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動；--with-linux-dir指定使用的linux內(nèi)核路徑；--build和—host分別表示編譯EtherCATMaster源碼所使用的平臺和編譯后得到的鏡像在哪個平臺上運(yùn)行。

2.3EtherCAT主站同步性能測試

在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，多軸同步性能直接決定著系統(tǒng)多軸聯(lián)動的精度。EtherCAT可以實現(xiàn)從站之間精確的時鐘同步控制，因此本文著重測試將嵌入式實時EtherCAT主站應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)中后的多軸同步控制性能。測試平臺如圖2所示，其中EtherCAT從站使用新時達(dá)的RS2200、RS2303伺服驅(qū)動器，主站通訊模式設(shè)置為DC模式，伺服驅(qū)動器運(yùn)行模式采用周期同步位置模式，周期為1ms，使用雙通道示波器測試第一個伺服驅(qū)動器和最后一個伺服驅(qū)動器SYNC中斷相對時間差。

多次測量第一個伺服驅(qū)動器和最后一個伺服驅(qū)動器SYNC中斷時間差，該差值小于60ns，滿足時鐘同步的要求，表明文本構(gòu)建的實時嵌入式EtherCAT主站可以實現(xiàn)精確的多軸同步控制。如圖3

圖3SYNC中斷時間差

2.4SYNC中斷和PDI中斷相對位置調(diào)節(jié)算法

IgHEtherCATMaster主站源碼雖然實現(xiàn)了EtherCAT主站時鐘同步到第一個具有DC(DistributedClocks)功能的EtherCAT從站時鐘，也實現(xiàn)了EtherCAT從站時鐘同步到EtherCAT主站時鐘，但沒有實現(xiàn)伺服驅(qū)動器中ET1100EtherCAT控制器芯片中SYNC中斷和PDI相對位置偏移。本文為了實現(xiàn)該功能，對IgHEtherCATMaster源碼進(jìn)行修改：將EtherCAT源碼驅(qū)動中發(fā)送給ET1100產(chǎn)生SYNC中斷開始的時間tsync_start,封裝為API供用戶空間程序調(diào)用。用戶空間程序進(jìn)入周期任務(wù)，經(jīng)過主站時鐘同步到參考從站時鐘算法處理，SYNC中斷和PDI中斷相對位置偏移不再變化，即EtherCAT主站時鐘已經(jīng)同步到參考從站時鐘。此時，我們可以獲取參考從站時間tref_time,則相對位置偏移Toffset可通過如下公式1計算得出,其中T為通信周期。

（1）

假設(shè)我們想讓PDI中斷相對于SYNC中斷偏移50%，即PDI中斷在兩個SYNC中斷中間，其中Tsleep為周期任務(wù)下個周期睡眠時間，可應(yīng)用如下公式2：

（2）

經(jīng)過多次測試表明，經(jīng)過上述算法處理后，PDI中斷相對SYNC中斷的位置，，確實在我們設(shè)定的位置，誤差范圍在-40us-40us,具體效果如圖4所示，

圖4SYNC中斷和PDI中斷相對位置圖

3結(jié)束語

本文首先分析了Xenomai實時補(bǔ)丁的實現(xiàn)機(jī)制，在基于Freescalei.MX6Q處理器上采用Xenomai實時補(bǔ)丁擴(kuò)展的方法構(gòu)建嵌入式實時

Linux操作系統(tǒng)、同時詳細(xì)的闡述了IgHEtherCATMaster開源軟件組成模塊的功能，然后將其移植到構(gòu)建好的嵌入式實時系統(tǒng)上，實現(xiàn)了嵌入式實時EtherCAT主站，然后在構(gòu)建的嵌入式EtherCAT主站上進(jìn)行了多軸同步控制性能的測試，以及SYNC中斷和PDI中斷相對位置調(diào)節(jié)功能的測試。實驗結(jié)果表明在基于Linux+Xenomai+i.MX6Q處理器上構(gòu)建的嵌入式實時EtherCAT主站具有良好的實時性和精確的多軸同步控制性能，可以滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求。