熊 伟, 丁跃浇, 陈 曦

(湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳 414006)

0 引言

EtherCAT是德国倍福自动化有限公司推出的具有高实时性和同步性的实时以太网协议, 具有性价比高、使用简单、拓扑灵活等显著优点[1,2], 其带宽有效利用率达90%以上, 在我国高端数控系统网络化过程中极具竞争力, 应用也越来越广泛.

目前高端数控系统中使用的EtherCAT主站主要是倍福公司开发的基于传统PC的TwinCAT商业主站, 因其功耗高、体积大、不开源等缺点, 正逐渐被嵌入式主站替代.目前国内对嵌入式主站的研究较少.李备备[3]等基于ARM Cortex-A8内核的AM3358微处理器采用IgH+Linux+RTpatch方式构建了主站, 并测得通信抖动为42 μs.高恩博[4]等基于AM3358 处理器搭载Linux+Xenomai+IgH, 采用标准网卡驱动构建主站, 实现了平均周期通信时间为78.8 μs.孙跃祥[5]等在 ZYNQ-7000 平台上构建嵌入式主站, 实时性能在含大量负载时平均延迟为60 μs.以上嵌入式主站方案均采用ARM加FPGA架构, 但都未完整阐述硬件平台部分, 针对此问题, 本文详细阐述了ZYNQ7020的FPGA硬件编程部分, 并移植Xenomai到Linux内核, 采用开源主站协议栈IgH EtherCAT Master实现了面向高端数控系统的嵌入式EtherCAT主站,并通过实验测试其实时性和周期通信时间.

1 EtherCAT主站总体方案设计

主站硬件部分采Xilinx公司的ZYNQ-7000系列, ZYNQ组合了双核ARM Cortex-A9 处理器和传统的可编程门阵列, 实现了工业标准的AXI接口, 带宽高, 延迟低.系统内核采用Linux 3.18.20开源内核, 由于Linux系统本身的实时性问题, 需要对其添加实时补丁.本文采用Xenomai实时补丁来提升系统的实时性, 以满足工控系统对实时性的要求.目……