基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，包括EtherCAT主站、EtherCAT从站和分布式时钟机制，所述EtherCAT包括多个从站，与EtherCAT主站连接的第一个从站上设有一个可以作为系统参考时钟的分布式时钟机制。采用本发明专利技术的基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，可以实现精确同步。

EtherCAT Master-slave System Based on IGH Open Source Framework

【技术实现步骤摘要】
基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统
本专利技术涉及工业以太网
，具体的说，是关于一种基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统。
技术介绍
EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为ControlAutomationTechnology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(BeckhoffAutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。工业现场对传输速度和可靠性的要求越来越高，传统以太网传输速度快并且传输距离长，但是其采用的CSMA/CD访问机制是一种非确定性的访问机制，很难满足工业现场的要求。国际上各大自动化厂商相继推出了各自的工业以太网标准，如ProfiNet、PowerLink、MechatroLink、SERCOS、EtherCAT等。其中德国Beckhoff推出的EtherCAT具有高性价比、使用简单、拓扑灵活等显著优点，带宽有效利用率达90%以上，并且具有较高的实时性和同步性能。ETG（EtherCATTechnologyGroup）官方数据表明，1000个I/O的刷新时间为30us，传输最大1486个字节所需时间为300us，100个伺服轴的刷新时间约为100us，可以实现1us的时钟同步精度。由于这些突出优点，EtherCAT近年来得到了飞快的发展，目前ETG全球会员已经超过3500家，被广泛应用于机器人、数控机床等先进制造业中。现有的EtherCAT采用主从结构，主站采用标准以太网卡，从站采用专门的ESC（EtherCATSlaveController）芯片如ET1100、ET1200、LAN9252实现从站功能。EtherCAT主站发送的数据报文遍历所有从站节点，EtherCAT从站高速动态地读取数据并插入数据，数据报文的传输延时取决于硬件传输延时，当最后一个从站节点开放端口后，利用以太网的全双工特性将数据报文返回给主站。数据报文经过从站处理后工作计数器（WKC，WorkingCount）会增加。EtherCAT控制系统的通信协议栈如图1所示。主站需要实现EtherCAT数据通信，包括EtherCAT初始化、周期性数据传输和过程数据传输。EtherCAT主站是整个EtherCAT主从系统的核心，EtherCAT主站必须能够稳定可靠的运行，保证从站设备的实时性和同步性。目前市面上的商业化主站均为国外的产品，如倍福的TwinCAT、KPA的EtherCATMaster等，近年来国内对EtherCAT主站的研究越来越多，但目前尚未有公司推出商业化的主站产品。为保证主站实时性，主站方案一般采用RTOS+ARM/X86/ZYNQ的硬件架构，常用的RTOS系统有Vxworks、QNX、uC/OSII，然而Windows和Linux不具备实时性但是可以进行实时性改造。Windows平台下可以采用INtime或者RTX实现实时扩展；Linux平台可以采用RTAI、Xenomai、RT-Preempt、RTLinux等实现实时扩展，满足工业场合实时性的要求。现有的各从站节点与主站之间由于晶振等原因会存在时钟漂移，所以在运行过程中需要对从站本地时钟运行速度进行动态调整，对时钟漂移进行动态补偿以保证各个从站系统时钟的一致，其操作复杂。网上公布的EtherCAT开源主站有SOME（SimpleOpenEtherCATMaster）和IgH的EtherCATMaster，SOME支持Windows和Linux2.6平台，SOME功能相对简单；IGH的EtherCATMaster基于Linux平台，从发布至今已经将近10年并进行了多次更新，功能相对完善，还支持RTAI、RT-Preempt、Xenomai等多种实时扩展，并且支持DC分布时钟，支持COE、SOE、EOE等多种通信协议。IGH的EtherCAT主站由三部分组成，包括主站模块、控制应用程序、支持EtherCAT的网卡驱动模块。IGH提供了两种网卡驱动方式：generic驱动和native驱动，generic驱动适用于所有网卡，通过调用Linux网络协议栈实现数据包的收发，并不能直接对硬件进行操作，实时性较难保证。native驱动针对主站支持的一些特定网卡，可以对底层硬件进行操作，可以支持RATI、Xenomai等实时扩展，可以保证EtherCAT主站的实时性。基于IGH的EtherCAT主站状态机如图2所示。IGH主站开源代码针对PC平台设计的，移植到ARM架构上需要完成很多工作。首先要构建嵌入式Linux的实时系统；然后要重新编译IGH主站使得其能够运行在ARM处理器上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，以解决现有的实时性难保证、同步性低和可靠性低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，包括EtherCAT主站、EtherCAT从站和分布式时钟（DC,DistributedClock）机制，所述EtherCAT包括多个从站，与EtherCAT主站连接的第一个从站上设有DC机制，使得该从站可以作为系统参考时钟，其它从站和主站的时钟以该参考时钟作为基准，使所有的从站具有相同的系统时间，大大提高了不同设备任务执行的同步性。根据本专利技术，所述基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统还包括Linux-RTAI实时系统，所述Linux-RTAI实时系统是在Linux实时操作系统上编译实时核，并在编译实时核的过程中配置具有配置RTAI的性能的内核而成，使得配置的内核能够充分发挥RTAI的性能。进一步的，所述Linux实时操作系统是由Linux-2.6.35.9版本的内核与RTAI-3.9构建而成。进一步的，所述Linux-RTAI实时系统上编译IGH主站，IGH主站的网卡驱动选用RTL8169，并且指定RTAI实时扩展。根据本专利技术，所述基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统还包括嵌入式Linux实时内核，所述嵌入式Linux实时内核为对嵌入式Linux内核打RT-Preempt补丁后，对内核进行配置后重新编译内核而成。进一步的，所述基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统还包括嵌入式平台主站框架，所述嵌入式平台主站框架为在IGH主站中添加对cpsw网卡的支持并移植到ARM平台而成。本专利技术的基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，其有益效果是：1、EtherCAT主从系统的Linux-RTAI实时系统的实时性能可以满足EtherCAT的要求；2、EtherCAT主站1ms任务周期下可以实现精确同步。附图说明图1为现有的EtherCAT主从结构的模块示意图。图2为现有的EtherCAT主站状态机的结构示意图。图3为本专利技术的基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统的结构示意图。图4为本专利技术的数据帧的处理过程的示意图。其中，图4的A部分为中断操作的数据帧的处理过程的示意图，图4的部分为无中断操作的数据帧的处理过程的示意图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，其特征在于，包括EtherCAT主站、EtherCAT从站和分布式时钟机制，所述EtherCAT包括多个从站，与EtherCAT主站连接的第一个从站上设有一个可以作为系统参考时钟的分布式时钟机制。

【技术特征摘要】
1.一种基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，其特征在于，包括EtherCAT主站、EtherCAT从站和分布式时钟机制，所述EtherCAT包括多个从站，与EtherCAT主站连接的第一个从站上设有一个可以作为系统参考时钟的分布式时钟机制。2.如权利要求1所述的基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，其特征在于，还包括Linux-RTAI实时系统，所述Linux-RTAI实时系统是在Linux实时操作系统上编译实时核，并在编译实时核的过程中配置具有配置RTAI的性能的内核而成。3.如权利要求2所述的基于IGH开源框架的EtherCAT主从系统，其特征在于，所述Linux实时操作系统是由Linux-2.6.35.9版本的内核...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷永辉，朱晓熙，
申请(专利权)人：威海印刷机械有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37