在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，如何在通用Linux系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的硬實(shí)時(shí)控制，一直是機(jī)器人、多軸運(yùn)動(dòng)控制等高精度場(chǎng)景落地的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。開源的IgH EtherCAT Master協(xié)議棧，憑借其卓越的高實(shí)時(shí)性與低抖動(dòng)特性，成為了連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與上層應(yīng)用的核心橋梁。然而，要釋放其全部潛能，離不開Preempt-RT實(shí)時(shí)內(nèi)核的強(qiáng)力加持。

本文將基于飛凌嵌入式OK3576-C開發(fā)板，通過1ms周期同步速度模式與125μs周期同步轉(zhuǎn)矩模式的實(shí)測(cè)對(duì)比，展示在CPU隔離核與滿負(fù)載壓力下，系統(tǒng)如何將通訊抖動(dòng)控制在微秒級(jí)，為您呈現(xiàn)一套可落地的高性能實(shí)時(shí)工業(yè)控制完整方案。

先說結(jié)論，表現(xiàn)很強(qiáng)悍！

周期同步速度模式，周期抖動(dòng)由6.3080μs降低為3.5790μs；

周期同步轉(zhuǎn)矩模式，周期抖動(dòng)由50.0470μs降低為2.1130μs！

1、IgH EtherCAT Master是什么？

在解答這個(gè)問題之前，先來看一下什么是EtherCAT ？EtherCAT是發(fā)展最快的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之一，采用硬件驅(qū)動(dòng)型架構(gòu)，具有速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸距離長(zhǎng)、更新周期小、連接設(shè)備數(shù)量多等多重優(yōu)勢(shì)。

IgH EtherCAT則是運(yùn)行于Linux系統(tǒng)的開源EtherCAT主站程序，IgH EtherCAT主站通過構(gòu)建Linux字符設(shè)備，應(yīng)用程序通過對(duì)字符設(shè)備的訪問實(shí)現(xiàn)與EtherCAT主站模塊的通信。

它主要包括以下三部分：

1. Master Module

角色：EtherCAT 主站的“大腦”和內(nèi)核。

功能：負(fù)責(zé)管理 EtherCAT 總線通信，實(shí)現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)交換與同步。它包含主站實(shí)例及供底層驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用調(diào)用的接口。

2. Device Modules

角色：經(jīng)過實(shí)時(shí)性優(yōu)化的“網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)”（如瑞芯微RK平臺(tái)的 stmmac）。

功能：作為主站與物理網(wǎng)口的橋梁。它能智能分流：被主站選中的設(shè)備用于收發(fā) EtherCAT 幀；未被選中的設(shè)備則作為普通以太網(wǎng)設(shè)備走常規(guī)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn) EtherCAT 與普通網(wǎng)絡(luò)的并行工作。

3. Application

角色：業(yè)務(wù)邏輯的執(zhí)行者（用戶編寫或生成）。

功能：通過應(yīng)用接口向主站申請(qǐng)總線控制權(quán)。一旦獲準(zhǔn)，即可配置總線并進(jìn)行周期性的過程數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用程序既可以是內(nèi)核模塊，也可以是通過庫（EtherCAT/RTDM）調(diào)用的用戶空間程序。

評(píng)論區(qū)留言【資料】，即可獲得IgH EtherCAT Master官方源碼及技術(shù)手冊(cè)的下載方式。

2、實(shí)時(shí)內(nèi)核Preempt-RT

1. 獨(dú)具優(yōu)勢(shì)：

IgH EtherCAT Master要保證高實(shí)時(shí)性，需要在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上運(yùn)行。Preempt-RT是一種針對(duì)實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了優(yōu)化的Linux內(nèi)核，與普通的Linux內(nèi)核相比，Preempt-RT的優(yōu)勢(shì)很明顯：

① 硬實(shí)時(shí)保障：

具備硬實(shí)時(shí)能力，能確保關(guān)鍵任務(wù)在嚴(yán)格規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成，不受其他任務(wù)干擾，滿足工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等對(duì)時(shí)間精度極高的場(chǎng)景需求。

② 高效調(diào)度與低延遲：

采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可立即搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)；同時(shí)深度優(yōu)化中斷處理機(jī)制，大幅縮短響應(yīng)時(shí)間，消除系統(tǒng)抖動(dòng)。

③ 高精度定時(shí)：

提供微秒級(jí)的內(nèi)核定時(shí)器精度，配合實(shí)時(shí)擴(kuò)展機(jī)制，支持用戶對(duì)內(nèi)核進(jìn)行定制，精準(zhǔn)滿足EtherCAT通信的周期性數(shù)據(jù)交換需求。

2. 實(shí)時(shí)性測(cè)試

本次測(cè)試參考Rockchip RealTime Linux Performance Test Report，分為空載測(cè)試和壓力測(cè)試。測(cè)試的環(huán)境如下：

① 工具：cyclictest

② 硬件平臺(tái)：OK3576-C開發(fā)板

③ 內(nèi)核版本：6.1.118-rt36

④ Path：SDK/docs/rk35xx/Patches/Real-Time-Performance/PREEMPT_RT/kernel-6.1/kernel-6.1.118

a. 配置Preempt-RT內(nèi)核，可以參考用戶資料：/1-手冊(cè)/OK35xx-Linux6.1.118-配置實(shí)時(shí)內(nèi)核方法.pdf

b. 不同硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果，可以參考用戶資料：/1-手冊(cè)/OK35xx-Linux6.1.118-實(shí)時(shí)性測(cè)試.pdf

空載測(cè)試：

cyclictest -c 0 -m -t 8 -p99 -D12H

參數(shù)介紹：

• -c 0：選擇時(shí)鐘源為CLOCK_MONOTONIC
• -m：鎖定內(nèi)存，防止內(nèi)存頁交換到磁盤
• -t 8：創(chuàng)建8個(gè)測(cè)試線程
• -p 99：設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)為99
• -D 12h：設(shè)置測(cè)試持續(xù)時(shí)間為12h

壓力測(cè)試：

stress-ng -c8 --io 8 --cpu-load 100 -vm 4 --vm-bytes 512M --timeout 10000000s &

參數(shù)介紹：

• -c 8：模擬8個(gè)CPU邏輯核心滿負(fù)荷運(yùn)行
• --io 8：模擬磁盤I/O壓力
• --cpu-load 100：設(shè)定 CPU 的目標(biāo)負(fù)載為 100%
• --vm 4 --vm-bytes 512M：模擬內(nèi)存壓力
• --timeout 10000000s：設(shè)置測(cè)試持續(xù)時(shí)間為10000000秒

3、演示案例

本節(jié)的演示選取周期同步速度模式（通訊周期時(shí)間為1ms）與周期同步轉(zhuǎn)矩模式（通訊周期時(shí)間為125μs）驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1. 環(huán)境介紹

開發(fā)環(huán)境：

• Kernel：6.1.118-rt36
• IgH EtherCAT Master：IgH EtherCAT master 1.6.0-rc1
• EtherCAT主站：OK3576-C
• EtherCAT從站：
• （1）EtherCAT耦合器EK1100
• （2）數(shù)字量輸出模塊EL2008
• （3）伺服驅(qū)動(dòng)器IS620NS1R6I + 伺服電機(jī)MS1H1-10B30CB A330Z

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖：

主站通過網(wǎng)線連接EtherCAT耦合器EK1100，EK1100通過E-Bus連接數(shù)字量輸出模塊EL2008、通過網(wǎng)線連接伺服驅(qū)動(dòng)器IS620N，交流伺服電機(jī)MS1H1-10B30CB通過動(dòng)力線和編碼線與伺服驅(qū)動(dòng)器IS620N相連。

使用EtherCat調(diào)試工具輸出識(shí)別到的從站：

使用EtherCat調(diào)試工具輸出總線拓?fù)洌?/p>

2. 伺服模式

IS620N 支持 7 種伺服模式，分別為輪廓位置模式（PP）、輪廓速度模式（PV）、輪廓轉(zhuǎn)矩模式（PT）、回零模式（HM）、周期同步位置模式（CSP）、周期同步速度模式（CSV）、周期同步轉(zhuǎn)矩模式（CST）。

不同模式支持的通訊周期不同，如下所示：

3. 主站性能測(cè)試方法

以下定義參考：Definitions of Jitter and Latency

參考官方示例代碼：

examples/dc_user/main.c · stable-1.5 · EtherLab / EtherCAT Master · GitLab

里面有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)一個(gè)通訊周期的所花費(fèi)的最大值和最小值。以1s為周期循環(huán)打印該區(qū)間EtherCAT通訊周期時(shí)間的最大值和最小值。

演示一：周期同步速度模式(1ms)

周期同步速度模式下，上位控制器將計(jì)算好的目標(biāo)速度 60FF 周期性同步發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，速度、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)由伺服內(nèi)部執(zhí)行。

基本配置：

使用EtherCat調(diào)試工具輸出的pdo信息：

操作步驟：

步驟1：設(shè)定模式，OD 6060h = 09h，周期同步速度模式。

步驟2：設(shè)定目標(biāo)速度，OD 60FFh = 0。由于速度模式下，一旦切至 Servo On (步驟 3)，伺服電機(jī)就會(huì)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，因此設(shè)定 0 是確保在 Servo On 時(shí)先保持 0 rpm 而不作動(dòng)。

步驟3：設(shè)定控制指令 OD 6040h，請(qǐng)依照以下步驟操作。步驟 3.1 與 3.2 是為了使驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)機(jī) (state machine) 進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

步驟4：設(shè)定目標(biāo)速度 OD 60FFh。

性能指標(biāo)：

① 壓力測(cè)試（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s&

./igh_ethercat_motor_csv

② 隔離測(cè)試+隔離核（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s &

taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_csv

演示二：周期同步轉(zhuǎn)矩模式(125μs)

此模式下，上位控制器將計(jì)算好的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩 6071h 周期性同步的發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)由伺服內(nèi)部執(zhí)行。當(dāng)速度達(dá)到限幅值后將進(jìn)入調(diào)速階段。

基本配置：

使用EtherCat調(diào)試工具輸出的pdo信息：

操作步驟：

步驟1：設(shè)定模式，OD 6060h = 0Ah，周期同步轉(zhuǎn)矩模式。

步驟2：設(shè)定目標(biāo)扭矩，OD 6071h = 0。由于扭矩模式下，一旦切至Servo On (步驟 3)，伺服目標(biāo)扭矩即作用，因此先設(shè)定 0，以確保安全。

步驟3：設(shè)定控制指令，OD 6040h，請(qǐng)依照以下步驟操作。步驟 3.1 與 3.2 是為了使驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)機(jī) (state machine) 進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

步驟4：設(shè)定目標(biāo)扭矩 OD 6071h。

性能指標(biāo)：

① 壓力測(cè)試（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s&

./igh_ethercat_motor_cst

② 壓力測(cè)試+隔離核（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s &

taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_cst

以上測(cè)試對(duì)未及時(shí)收回來的數(shù)據(jù)幀時(shí)統(tǒng)計(jì)的周期樣本進(jìn)行剔除，在跑125μs周期，幀未及時(shí)收回來的情況會(huì)更加頻繁。

兩種演示的性能測(cè)試，應(yīng)用程序都采用FIFO調(diào)度+內(nèi)存鎖定；在采取隔離核策略時(shí)，系統(tǒng)的周期抖動(dòng)降低。

• 周期同步速度模式，周期抖動(dòng)由6.3080μs降低為3.5790μs。
• 周期同步轉(zhuǎn)矩模式，周期抖動(dòng)由50.0470μs降低為2.1130μs。

方案展示：