IgH EtherCAT主站开发案例分享——基于NXP i.MX 8M Mini

前  言

本文档主要演示NXP i.MX 8M Mini工业开发板基于IgH EtherCAT控制伺服电机。

 

演示板卡是创龙科技的TLIMX8-EVM工业开发板，它是基于NXP i.MX 8M Mini的四核ARM Cortex-A53 + 单核ARM Cortex-M4异构多核处理器设计的高性能评估板，由核心板和评估底板组成。ARM Cortex-A53(64-bit)主处理单元主频高达1.6GHz，ARM Cortex-M4实时处理单元主频高达400MHz。处理器采用14nm最新工艺，支持1080P60 H.264视频硬件编解码、1080P60 H.265视频硬件解码、GPU图形加速器。核心板经过专业的PCB Layout和高低温测试验证，稳定可靠，可满足各种工业应用环境。

 

评估板接口资源丰富，引出MIPI CAMERA、MIPI/LVDS LCD、HDMI OUT、LINE IN/OUT、PCIe、FlexSPI、USB、RS485、RS232、千兆网口、百兆网口等接口，板载WIFI模块，支持Mini-PCIe 4G模块，可选配外壳直接应用于工业现场，方便用户快速进行产品方案评估与技术预研。

 

本文档适用开发环境：

（1）        Windows开发环境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

（2）        Linux开发环境：Ubuntu 18.04.4 64bit

（3）        虚拟机：VMware15.1.0

（4）        Linux SDK：5.4.70_2.3.0

（5）        Kernel：linux-5.4.70-xenomai-g8d94618-v1.0

（6）        IgH EtherCAT：ethercat-stable-1.5-gcd0d17d-20210723

（7）        Xenomai：xenomai-v3.1.1-g8b2052e

（8）        伺服驱动器：台达ASD-A2-0121-E

（9）        伺服电机：台达ECMA-C10401GS

我司提供的IgH EtherCAT主站开发案例位于产品资料“4-软件资料\Demo\igh_ethercat_dc_motor\”目录下，主要包含igh_ethercat、kernel-xenomai、xenomai等文件夹，具体说明如下。

表 1

案例目录	目录说明
bin	存放igh_ethercat_dc_motor应用程序镜像
src	存放igh_ethercat_dc_motor应用程序源码
igh_ethercat	存放IgH EtherCAT开发包源码和镜像，该开发包可用于生成EtherCAT驱动和igh_ethercat_dc_motor应用程序所需要的头文件、链接库文件
kernel-xenomai	存放案例配套的linux-5.4.70内核（已打xenomai实时补丁）源码和镜像
xenomai	存放xenomai开发包源码和镜像，该开发包可用于生成测试Linux系统实时性的工具和链接库

 

1         
IgH EtherCAT简介

IgH EtherCAT为运行于Linux系统的免费开源EtherCAT主站程序，框架如下所示，官方文档：https://www.etherlab.org/download/ethercat/ethercat-1.5.2.pdf。

 

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IgH EtherCAT主站通过构建Linux字符设备，应用程序通过对字符设备的访问实现与EtherCAT主站模块的通信。

IgH EtherCAT开发包提供EtherCAT工具，该工具提供各种可在Linux用户层运行的命令，可直接实现对从站的访问和设置，如设置从站地址、显示总线配置、显示PDO数据、读写SDO参数等。

IgH EtherCAT官网：https://www.etherlab.org/en/ethercat。

2         
案例说明

案例功能：控制伺服电机正转和反转。

（1）       
正转：伺服电机目标速度从0加速到10000，当达到10000速度后，控制伺服电机减速至0，循环运行。

（2）       
反转：伺服电机目标速度从0加速到-10000，当达到-10000速度后，控制伺服电机减速至0，循环运行。

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为便于测试，我司提供已验证的基于Xenomai编译生成的内核镜像文件和设备树镜像文件，位于案例"igh_ethercat_dc_motor\kernel-xenomai\images\linux-5.4.70-xenomai-g8d94618-v1.0\"目录下，请替换至Linux系统启动卡BOOT分区下。同时将linux-5.4.70-xenomai-g8d94618-v1.0目录下的module驱动压缩包5.4.70-g8d94618.tar.gz，解压至Linux系统启动卡rootfs分区"lib/modules/"目录下。

备注：如需使用由内核源码重新编译生成的内核镜像文件、设备树文件和modules驱动，请参考Linux系统使用手册将编译的module驱动安装至Linux系统启动卡中，默认安装后module驱动目录为5.4.70。

 

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3         
案例测试

请按下图所示使用网线连接评估板RGMII ETH网口和伺服驱动器A的IN网口，将伺服驱动器A的OUT网口使用网线连接至伺服驱动器B的IN网口。

 

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为便于测试，我司提供的经验证的IgH EtherCAT主站程序为案例"igh_ethercat_dc_motor\igh_ethercat\images\ethercat-stable-1.5-gcd0d17d-20210723\"目录下的ethercat-stable-1.5-gcd0d17d-20210723.tar.gz压缩包，在Ubuntu下解压即可得到IgH EtherCAT主站程序文件夹。

将IgH EtherCAT主站程序文件夹整个拷贝至评估板文件系统，执行如下命令查询评估板网卡物理地址。本次测试将IgH EtherCAT主站程序文件夹命名为__install。

Target#        ifconfig

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执行如下命令，加载驱动模块。

Target#       insmod
/home/root/EtherCAT/__install/modules/ec_master.ko main_devices=ce:bb:9d:3b:d3:6b

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执行如下命令，拷贝EtherCAT主站相关文件至评估板文件系统。

Target#        cp /home/root/EtherCAT/__install/etc/sysconfig/ethercat
/etc/sysconfig

Target#        cp /home/root/EtherCAT/__install/modules/ec_master.ko
/lib/modules/5.4.70-g8d94618      //模块驱动名称可通过"uname -r"查看

Target#        depmod        //同步模块依赖关系

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执行如下命令，启动EtherCAT主站。

Target#        /home/root/EtherCAT/__install/etc/init.d/ethercat start

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执行如下命令，加载ec_generic.ko驱动文件。

Target#        insmod /home/root/EtherCAT/__install/modules/ec_generic.ko

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执行如下命令，添加IgH动态链接库路径。

Target#        export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/root/EtherCAT/__install/lib

v

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将案例igh_ethercat_dc_motor可执行文件拷贝至评估板文件系统，执行如下命令查看参数信息。

Target#        ./igh_ethercat_dc_motor --help

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执行如下命令，控制两台伺服电机同时正转。

Target#        ./igh_ethercat_dc_motor -d 0

 

 

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按下"Ctrl + C"，停止运行程序。

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执行如下命令，控制两台伺服电机同时反转。

Target#        ./igh_ethercat_dc_motor -d 1

 

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按下"Ctrl + C"，停止运行程序。

 

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参数解析：

（1）       
latency：等待唤醒时间(ns)。

（2）       
period：EtherCAT通讯周期时间(ns)。

（3）       
exec：接收和发送EtherCAT数据时间(ns)。

备注说明：

（1）       
使用评估板千兆网口测试时，需设置EtherCAT通讯周期时间为1.1ms，即将igh_ethercat_dc_motor.c中的FREQUENCY配置为900（如下图所示）。如设置EtherCAT通讯周期时间为1ms时，会出现数据丢失的问题，原因在于IMX8官方千兆网口驱动兼容性不够完善，NXP官方正计划修复此问题。

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（2）       
使用评估板USB2 ETH百兆网口，设置EtherCAT通讯周期为1ms测试正常。

（3）       
为获得更高的实时性能，亦可通过PCIe接口外扩IgH EtherCAT专用集成网卡进行测试，IgH EtherCAT支持外扩集成网卡如下所示。

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4         
案例编译

4.1     
IgH EtherCAT主站程序编译

IgH EtherCAT主站程序的编译需依赖于基于Xemomai生成的内核，请参考Linux系统使用手册将案例"igh_ethercat_dc_motor\kernel-xenomai\src\"目录下的linux-5.4.70-xenomai-g8d94618-v1.0内核源码进行编译后，再编译IgH
EtherCAT主站程序。

请将案例"igh_ethercat_dc_motor\igh_ethercat\src\"目录下的IgH EtherCAT主站程序开发包ethercat-stable-1.5-gcd0d17d-20210723.tar.gz拷贝至Ubuntu工作目录，执行如下命令进行解压。

Host#    mkdir EtherCAT

Host#    tar -xvf ethercat-stable-1.5-gcd0d17d-20210723.tar.gz
-C EtherCAT/

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进入解压目录，执行如下命令生成configure文件。

Host#    ./bootstrap

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执行如下命令，加载SDK环境变量并进行配置。

Host#    source /home/tronlong/SDK/environment-setup-aarch64-poky-linux

Host#    mkdir
__install   //创建__install文件夹用于存放生成的文件

Host#    ./configure --prefix=/home/tronlong/EtherCAT/__install
--with-linux-dir=/home/tronlong/kernel-xenomai/ --enable-8139too=no
--enable-generic=yes --host=aarch64-poky-linux

备注："/home/tronlong/kernel-xenomai/"为案例提供的内核源码目录。

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执行如下命令，进行编译。

Host#    make

 

 

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执行如下命令，编译驱动。

Host#    make modules

 

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执行如下命令，将生成的IgH EtherCAT主站程序安装至指定路径下。

Host#    make install
systemdsystemunitdir=/home/tronlong/EtherCAT/__install

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执行如下命令，将驱动文件拷贝至"__install/modules/"目录下。

Host#    mkdir
-p __install/modules

Host#    cp
./master/ec_master.ko ./__install/modules/

Host#    cp
./devices/ec_generic.ko ./__install/modules/

 

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4.2     
igh_ethercat_dc_motor案例编译

igh_ethercat_dc_motor案例的编译需基于IgH EtherCAT主站程序，请先编译IgH EtherCAT主站程序。

请将案例"igh_ethercat_dc_motor\src\"目录拷贝至Ubuntu工作目录下，进入src目录执行如下命令修改Makefile相关内容为IgH EtherCAT主站程序对应目录。

Host#    vi Makefile

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然后执行如下命令，加载SDK环境变量并进行编译。编译完成后，将在当前目录下生成可执行文件。

Host#    source /home/tronlong/SDK/environment-setup-aarch64-poky-linux

Host#    make

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关键代码

（1）       
创建EtherCAT Master。

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（2）       
创建域。

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（3）       
配置PDO。

 

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（4）       
为域注册PDO条目。

 

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（5）       
激活Master。

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（6）       
修改当前进程优先级。

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（7）       
进入循环周期任务。

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（8）       
在周期任务中设置驱动器操作模式、加速度和减速度，分别发送0x6、0x7、0xF使驱动器处于ON状态。

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（9）       
发送目标速度，转动电机。

 

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6         
Xenomai简介

Xenomai是一个免费开源的Linux平台实时框架，通过使用与Linux内核并行运行的实时协同内核(real-time co-kernel)处理所有对时间要求严格的活动，例如处理中断和调度实时线程。Cobalt core比原生Linux与RT-Linux内核具有更高的优先级。

 

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6.1   
编译说明

案例使用的Xenomai版本为3.1.1，开发包为案例"igh_ethercat_dc_motor\xenomai\src\"目录下的xenomai-v3.1.1-g8b2052e.tar.gz，将其拷贝至Ubuntu工作目录下，执行如下命令进行解压。

Host#    mkdir Xenomai

Host#    tar
-xvf xenomai-v3.1.1-g8b2052e.tar.gz
-C Xenomai/

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进入解压目录，执行如下命令在当前目录生成configure文件。

Host#    ./scripts/bootstrap

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执行如下命令，加载SDK环境变量并进行配置，请确保已正确安装交叉编译工具。

Host#    source /home/tronlong/SDK/environment-setup-aarch64-poky-linux

Host#    ./configure --build=i686-pc-linux-gnu
--host=aarch64-poky-linux --disable-debug --enable-smp --with-core=cobalt

 

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Host#    mkdir
__install   //创建__install文件夹用于存放生成的文件

Host#    make
DESTDIR=/home/tronlong/Xenomai/__install
install

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编译完成后，将在__install目录下生成usr文件夹。

 

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6.2   
测试说明

为便于测试，我司提供的经验证的Xenomai测试程序为案例"igh_ethercat_dc_motor\xenomai\images\xenomai-v3.1.1-g8b2052e\"目录下xenomai-v3.1.1-g8b2052e.tar.gz压缩包，在Ubuntu下解压即可得到Xenomai测试程序文件夹。

请使用已替换内核的Linux系统启动卡启动评估板，将Xenomai测试程序文件夹整个拷贝至评估板文件系统，执行如下命令拷贝Xenomai相关文件和设置动态链接库。本次测试将Xenomai测试程序文件夹命名为__install。

Target#        cp -r Xenomai/__install/usr/xenomai/ /usr/

Target#        export LD_LIBRARY_PATH=/usr/xenomai/lib:$LD_LIBRARY_PATH

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Xenomai的测试工具均位于"/usr/xenomai/bin/"目录下，可调用对应测试工具进行测试。

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使用Cyclictest工具进行实时性能基准测试。

Target#        echo 0
> /proc/xenomai/latency

Target#        /usr/xenomai/demo/cyclictest
-t5 -p98 -m -n

 

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表 2 Cyclictest测试结果说明

参数	解析
T(Thread)	线程索引和线程ID
P(Priority)	线程的优先级
I(Interval)	延迟，测量线程的预期唤醒周期
C(Count)	测量延迟的次数
Min(Minimum)	测量的最小延迟（单位us）
Act(Actual)	最近一次测量的延迟（单位us）
Avg(Average)	平均延时（单位us）
Max(Maximum)	测量的最大延迟（单位us）

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