（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(jī)或遠(yuǎn)程IO進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，具備傳輸速度快，實(shí)時(shí)性高，擴(kuò)展設(shè)備靈活等特點(diǎn)。在 RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上運(yùn)行 EtherCAT主站協(xié)議，大大提高了實(shí)時(shí)性，極大降低了循環(huán)同步抖動(dòng)時(shí)間，可滿足各種對實(shí)時(shí)性要求苛刻的應(yīng)用場景。

以下是在瑞芯微 RK3568平臺上實(shí)現(xiàn) EtherCAT 主站控制匯川 SV630ND 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(shù)，具有很高的實(shí)時(shí)性。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是按照接收，處理和轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)三個(gè)流程進(jìn)行，而EtherCAT則是同時(shí)傳輸和處理EtherCAT數(shù)據(jù)。EtherCAT已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最受歡迎的總線協(xié)議之一，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線、運(yùn)動(dòng)控制等場景。

EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，單從以太網(wǎng)角度看，EtherCAT是二層網(wǎng)絡(luò)，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主站中通常可以在以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jié)構(gòu)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1-3所示：

圖1-3 EtherCAT數(shù)據(jù)幀完整結(jié)構(gòu)

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(bào)文組成。其中EtheRCAT頭中記錄了EtherCAT數(shù)據(jù)報(bào)的長度、和類型，類型為1表示與從站通訊。EtherCAT數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)包含多個(gè)子報(bào)文，每個(gè)子報(bào)文又由子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)和WKC域組成。子報(bào)文結(jié)構(gòu)含義如下:

圖1-4 EtherCAT子報(bào)文結(jié)構(gòu)含義

下圖為一個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀傳輸動(dòng)態(tài)過程：

圖1-5 EtherCAT數(shù)據(jù)幀傳輸過程

EtherCAT在伺服電機(jī)控制器上的應(yīng)用中通常是基于CANopen的CiA402標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這套配置文件規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化了伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器和步進(jìn)電機(jī)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(jī)，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(jìn)行了部分國際化標(biāo)準(zhǔn)。

圖1-6 EtherCAT COE框架圖

（二） 方案功能特點(diǎn)

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

?性能卓越：相對于設(shè)定了相同循環(huán)時(shí)間的其他總線系統(tǒng)，EtherCAT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常能減少 25%-30%的 CPU 負(fù)載。可以改善控制精度，獲得更高的吞吐量，并降低成本；RT-Thread硬實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度，可滿足各種對實(shí)時(shí)性要求苛刻的應(yīng)用場景；結(jié)合千兆網(wǎng)卡及EtherCAT技術(shù)，過程控制數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、快速、高效的傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)，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(shí)鐘，循環(huán)時(shí)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(fù)雜初始化配置即可運(yùn)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(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。

?快速啟動(dòng)：可單獨(dú)運(yùn)行 RT-Thread，上面直接部署運(yùn)動(dòng)控制方案及輕量級圖形界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速啟動(dòng)，上電3秒內(nèi)即可顯示圖形界面，進(jìn)行完整控制。

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

?日志存儲(chǔ)：提供日志存儲(chǔ)功能，所有運(yùn)動(dòng)控制及其他相關(guān)重要日志數(shù)據(jù)都可以被高效，可靠的保存到存儲(chǔ)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(jìn)行雙路伺服電機(jī)控制，EtherCAT循環(huán)控制周期為1ms，更新時(shí)間小于10us。軟件框架如下圖所示：