基于 RT-Thread专业版的EtherCAT主站方案

（一）  方案介绍

 

本方案基于 RT-Thread 专业版，在RT-Thread端集成EtherCAT主站协议，通过EtherCAT对伺服电机或远程IO进行实时控制，具备传输速度快，实时性高，扩展设备灵活等特点。在 RT-Thread实时操作系统上运行 EtherCAT主站协议，大大提高了实时性，极大降低了循环同步抖动时间，可满足各种对实时性要求苛刻的应用场景。

 

以下是在瑞芯微 RK3568平台上实现 EtherCAT 主站控制汇川 SV630ND 伺服驱动电机运行的演示图。

 

图1-1 RK3568混合部署EtherCAT控制汇川SV630ND控制器

 

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) 是由德国倍福公司在2003年提出的工业以太网技术，具有很高的实时性。传统的以太网通信中每一个节点都是按照接收，处理和转发这个三个流程进行，而EtherCAT则是同时传输和处理EtherCAT数据。EtherCAT已成为工业自动化领域中最受欢迎的总线协议之一，被广泛应用于机器人、自动化生产线、运动控制等场景。

 

EtherCAT使用标准的IEEE802.3以太网帧，单从以太网角度看，EtherCAT是二层网络，常说的MAC层，以太网帧头使用以太网类型0x88A4来和其他以太网帧相区别。所以在EtherCAT主站中通常可以在以太网驱动层通过数据帧头识别，分离出TCPIP数据帧和EtherCAT数据帧，实现TCPIP协议栈和EtherCAT协议栈共同使用。

 

 

图1-2 EtherCAT数据帧结构一个完整的数据帧结构如图1-3所示：

 

 

图1-3 EtherCAT数据帧完整结构

 

EtherCAT数据位于以太网帧数据区，EtherCAT数据由EtherCAT头和若干EtherCAT数据报文组成。其中EtheRCAT头中记录了EtherCAT数据报的长度、和类型，类型为1表示与从站通讯。EtherCAT数据报文内包含多个子报文，每个子报文又由子报文头、数据和WKC域组成。子报文结构含义如下:

 

 

图1-4 EtherCAT子报文结构含义

 

下图为一个EtherCAT数据帧传输动态过程：

 

 

图1-5 EtherCAT数据帧传输过程

 

EtherCAT在伺服电机控制器上的应用中通常是基于CANopen的CiA402标准规范。这套配置文件规范标准化了伺服驱动器、变频器和步进电机控制器的功能行为。在EtherCAT中，通常被称为COE(CANopen Over EtherCAT)。COE中定义了状态机，控制字，状态字，参数值，它们映射到过程数据对象(PDO)配置文件已经在IEC 61800-7系列规范中进行了部分国际化标准。

 

 

图1-6 EtherCAT COE框架图

 

（二）  方案功能特点

 

➢ 正式授权：RT-Thread 成功加入EtherCAT Technology Group（ETG），已是该组织的正式会员，可提供合作伙伴相关授权。

 

➢ 性能卓越：相对于设定了相同循环时间的其他总线系统，EtherCAT 系统结构通常能减少 25%-30%的 CPU 负载。可以改善控制精度，获得更高的吞吐量，并降低成本；RT-Thread硬实时内核调度，可满足各种对实时性要求苛刻的应用场景；结合千兆网卡及EtherCAT技术，过程控制数据能够实时、快速、高效的传输到节点，具备极低的通信延迟、高效数据处理能力、支持分布式时钟，循环时间小于10us (双轴伺服16字节IN+16字节OUT)；

 

➢ 支持全面：EtherCAT主站支持COE、VOE、SOE、EOE、FOE，可灵活移植适配，不需要复杂初始化配置即可运行，提供全面 API 接口及使用示例，主站部署更简单；

 

➢ 显控一体：可基于 RT-Thread 混合部署方案，控制显示界面可部署在 Linux 端，使用 Qt 或其他图形库开发显示界面，控制方案在 RT-Thread 实现，实现实时运动控制。

 

➢ 快速启动：可单独运行 RT-Thread，上面直接部署运动控制方案及轻量级图形界面，实现系统快速启动，上电3秒内即可显示图形界面，进行完整控制。

 

➢ 调试便利：提供专业 RT-Thread Studio IDE支持，支持Jlink仿真调试，可通过图形化工具一站式开发，编译，下载，调试，可支持断点，单步跟踪，变量查看等功能，开发更高效；

 

➢ 日志存储：提供日志存储功能，所有运动控制及其他相关重要日志数据都可以被高效，可靠的保存到存储器中。

 

（三）  方案演示视频

 

该 Demo 演示基于RK3568开发板，通过EtherCAT连接汇川SV630ND控制器进行双路伺服电机控制，EtherCAT循环控制周期为1ms，更新时间小于10us。软件框架如下图所示：