基于Zynq UltraScale+MPSoC高性能EtherCAT主站方案

1. 技术背景

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。

ZCU102 评估套件可帮助设计人员快速启动面向汽车、工业、视频以及通信应用的设计。该套件具有基于 Xilinx 16nm FinFET+ 可编程逻辑架构的 Zynq® UltraScale+™ MPSoC 器件，提供一款四核 ARM® Cortex®-A53、双核 Cortex-R5F 实时处理器以及一款 Mali™-400 MP2 图像处理单元。ZCU102 支持所有可实现各种应用开发的主要外设及接口。

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ZCU102平台的移植与测试。

2 EtherCAT简介

EtherCAT（以太网控制自动化技技）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。

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）

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

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EtherCAT network 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 KPA EtherCAT主站硬件介绍

主站硬件主要由三部分组成见下图：ZCU102主站开发板以及外扩的FMC网卡。KPA MAC IPcore在PL端构建了FPGA网卡，FreeRTOS master既可以运行在R5 CPU中也可以运行在A53 CPU中，另外需要一台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ZCU102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。

2.3 KPA EtherCAT主站移植

2.3.1 硬件开发板

Xilinx HW-Z1-ZCU102 revision1.1

2.3.2 EtherCAT主站软件开发包

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 软件编译

将MDK_xilinx-2018.3_freertos_a53_trial_v2.4.48714.0-release.zip解压到mdk_a53文件夹下

进入mdk_a53samples路径下修改对应样例程序，此处每个不同的样例程序包含不同的API，具有不同的功能，此处以24_DriveRotationCiA402为例，这是一个简单运行单轴伺服的样例程序，为了适配迈信伺服驱动器，需保持C文件中的描述和ENI文件描述一致，修改后保存

进入mdk_a53下，打开build.bat，修改编译器路径，路径是xilinx SDK安装路径

运行cmd，进入该路径下，运行build.bat,编译所有样例代码，包括编译24样例，在buildsamples路径下生成24_DriveRotationCiA402.elf文件

2.3.4 创建运行程序

进入mdk_a53externalsboot路径，根据readme文件以及24_DriveRotationCiA402.bif文件；

拷贝zcu102_freeRTOS内vivado工程生成的design_1_wrapper.bit()文件到该路径下,覆盖原来bit文件；

拷贝zcu102_freertosproject_1project_1.sdkfsblRelease下的fsbl.elf到该路径下，覆盖原来fsbl.elf文件；

拷贝buildsamples路径下生成的24_DriveRotationCiA402.elf到该路径下；

拷贝生成的ENI文件（master.xml）文件到该路径下

打开Xilinx XSCT tool进入到externalsboot路径下，生成boot.bin

将boot.bin文件拷贝到SD卡中，设置开发板SD卡启动，上电运行

2.4 主站性能数据

网络配置：Beckhoff EK1100+EL1004+EL2004+EL6692 (60 bytes frame)。

运行在R5 CP（x32）上测试数据：

运行在A53 CPU（x64）上测试数据：

3. 第三方抓包工具性能分析方法

一般情况下EtherCAT主站性能测试会关注主站通讯周期，circle time是否稳定，抖动多少，因此可以设置在不同的circle time，比如2ms，1ms，500us，250us，125us等条件下测试抖动，可以采用第三方的抓包工具+wireshark进行报文分析，不同主站周期，需要修改代码以及ENI文件的circle time，此处以1ms主站周期，邮箱任务周期是5ms（主站周期的5倍）

对Wireshark数据包进行针对性分析，设置时间显示格式如下

使用ecat.ado == 0x130命令，过滤出从站在第几条报文处进入op状态的，这里是33900，意味着33900前的报文不能用于分析circle time，因为pdo数据/周期性数据只在从站进入op后才被发送

分析周期性报文，注意到每个周期性报文包含三个子报文(逻辑寻址)以及一个DC相关的ARMW命令

过滤出周期性报文，使用该指令ecat.sub1.cmd == LRD && ecat.sub1.cnt == 0，过滤出子报文1为LRD且计算器值为0（表示从主站发出，未经过从站）的周期性报文，选择三角进行报文排序，可以是从小到大，或者从大到小。

最小周期是999.496us


审核编辑：汤梓红