RTT小师弟 · 5月18日

NUC980 DIY项目大挑战 - EtherCAT实现

本文由RT-Thread论坛用户@lg28870983原创发布:https://club.rt-thread.org/as...

1.背景

最近计划DIY一个EtherCAT控制器,一直在看资料和选型,初步定了NUC980的方案,主要是看中NUC980的RAM比较大,采购还算方便(最近缺芯,大家都懂)。

选定硬件之后,NUC980跑什么系统呢?从以往经验来看,ARM9一般跑linux比较多,资源也好找,同时官方提供BSP。但这次任务有点特殊,EtherCAT对实时性要求比较高,linux不是最合适的。结合MCU开发经验,就准备上个RTOS,以前M3和M4的芯片,主要用FreeRTOS,最近也开始用RT-Thread。新唐官方也推出了NUC980的RT-Thread版BSP,对开发者非常友好,最终决定了NUC980+RT-Thread的方案。

刚好最近官方有个DIY项目官方活动,就报了名。

2.EtherCAT主站软件方案

EtherCAT本身还是比较复杂的,我们就不自己造轮子了,考虑用开源方案,毕竟硬件成本这么低,商用方案是真的用不起啊!
现在开源主站主要就两种,SOEM和IGH(相关的资料网上很多,这儿就不展开了),IGH只支持linux,所以只能选SOME,最新版本是SOEM1.4,本次移植就基于该版本。

3. 移植过程

3.1 RT-Thread 下载
本次移植基于最新发布的release4.1.0, 这个可以到github下载,最近Gitee也更新了。移植EtherCAT之前,首先把Nuvoton的BSP跑起来。这个参考官方的文档就可以了。

3.2 Some移植
下载soem-1.4.0,将整个目录放在rt-thread项目里,下图是我的目录,供参考
在some-1.4.0及其子目录中需要手工编辑SConscript脚本,这儿就不展开了。后续我把源码打包发上来。

Some移植主要是三个文件 osal.c,oshw.c和nicdrv.c。
osal.c 主要是微秒及的延时和定时函数;
oshw.c 主要是网络端和本机端数据的大小端转换;
nicdrv.c 主要是网络数据收发。

Some已经给出了很多操作系统移植,我的移植是基于rtk,这个是嵌入式系统,和我们的开发环境最接近。

3.2.1 osal.c移植
主要内容是实现osal_usleep和osal_gettimeofday两个函数。
我开始思路是自定义一个定时器用于EtherCAT,当时用了Timer4。等实现差不多了,发现系统时钟用的是Timer5,很多地方功能重复。最终和系统共用Timer5,省了个Timer,代码也简化了不少。下面就是改动过的相关代码,osal_timer_init这个初始化函数要在启动EhterCAT功能之前调用。

static rt_uint32_t us_ticks;

void osal_timer_init(void)
{
    rt_uint32_t cmp = ETIMER_GetCompareData(5);
    us_ticks = 1 * cmp / (1000000 / RT_TICK_PER_SECOND);
    rt_kprintf("rt-thread hwtimer5 1us = %d ticks\n", us_ticks);
}

int osal_usleep (uint32 usec)
{
    //udelay(usec);
    
    /*ajustment for precision*/
    //usec -= usec / 4080;
    usec -= usec / 1500;
    
    /*rt_hw_us_delay work for a delay less than 16us*/
    do{
        if(usec>=1000)
        {
            rt_hw_us_delay(1000);
            usec -= 1000;
        }else{
            rt_hw_us_delay(usec);
            usec = 0;
        }
    }while(usec>0);
    return 0;
}

int osal_gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz)
{
//   return gettimeofday(tv, tz);
    RT_ASSERT (tv != NULL);

    rt_uint32_t timer_tick,rt_tick;
    
    rt_base_t level = rt_hw_interrupt_disable();
    timer_tick = ETIMER_GetCounter(5);
    rt_tick = rt_tick_get();
    rt_hw_interrupt_enable(level);
    
    tv->tv_sec = rt_tick/1000;
    tv->tv_usec = (rt_tick % 1000)*1000 + timer_tick / us_ticks;

    return 0;
}

3.2.2 oshw.c移植
不需做什么工作。

3.2.3 nicdrv.c移植
主要修改就是调用自己的网络发送和接收函数,我把它们命名为net_send和net_recv。这两个函数最好的实现是直接操作网卡(或者叫emac),我现在的实现参考了tcpdump的方法,在协议栈中加钩子(hook)实现,这样对原来系统影响最小,网口除了EtherCAT,还可以当正常的网口用。

ecx_setupnic函数中创建mutex(这个按照rt-thread格式改一下即可),安装网络钩子
ecx_closenic函数中删除mutex,卸载网络钩子。

3.2.4 net_hook.c实现

主要实现EtherCAT数据帧收发,中间加了个环形缓冲区用于接收。具体原理就是在网卡加个钩子函数,有数据来的时候先经过钩子函数,我们把EtherCAT数据帧截住,不传给原来的lwip协议栈;如果要发送数据,就直接调用发送函数,绕过lwip协议栈。这样也不影响lwip协议栈工作。

具体实现见附件。

3.2.5 some基本功能测试

采用官方的slave_info测试代码,测试主要分为时钟测试和soem EtherCAT协议栈基本功能测试。在终端中输入 soem_test + 回车即可。
我接了一个汇川IS620N驱动器,下面是输出的部分内容:

Slave:1
 Name:IS620N
 Output size: 96bits
 Input size: 224bits
 State: 4
 Delay: 0[ns]
 Has DC: 1
 DCParentport:0
 Activeports:1.0.0.0
 Configured address: 1001
 Man: 00100000 ID: 000c0108 Rev: 00010001
 SM0 A:1000 L: 128 F:00010026 Type:1
 SM1 A:1400 L: 128 F:00010022 Type:2
 SM2 A:1800 L:  12 F:00010064 Type:3
 SM3 A:1c00 L:  28 F:00010020 Type:4
 FMMU0 Ls:00000000 Ll:  12 Lsb:0 Leb:7 Ps:1800 Psb:0 Ty:02 Act:01
 FMMU1 Ls:0000000c Ll:  28 Lsb:0 Leb:7 Ps:1c00 Psb:0 Ty:01 Act:01
 FMMUfunc 0:1 1:2 2:0 3:0
 MBX length wr: 128 rd: 128 MBX protocols : 04
 CoE details: 0d FoE details: 00 EoE details: 00 SoE details: 00
 Ebus current: 0[mA]
 only LRD/LWR:0

4. 运动控制测试

基础工作做好以后,我们就能真正的控制电机运行了。在控制电机运行之前,还需要了解CIA402相关的规范,启动伺服需要按照规范要求,按顺序来。

程序主要流程如下,具体代码见附件。

a)初始化时钟 osal_timer_init
b)初始化网卡ec_init
c)等待进入INIT态

d)初始化驱动器(is620n)ec_config_init
e)DC配置

f)申请并等待进入Pre-OP态
g)配置过程数据TxPDO/RxPDO(自定义函数process_data_config)
h)配置FMMU ec_config_map

i)申请并等待进入Safe-OP态

j)设置CSP模式
k)发送和接收过程数据1次,触发SLAVE
l)申请并等待进入OP态

m)进入过程数据收发循环

在进入数据数据收发循环后,按次序发送控制字启动伺服(6040h发送6,7和15),然后就可以不断发送新的控制位置让电机转起来了!

5. 总结

整个移植过程还是充满了挑战,主要也是因为今年才开始接触EtherCAT,很多概念是边学边用,网上也参考了不少同学的帖子。很多人反应汇川的伺服用SOEM驱动DC同步模式总是有问题,确实遇到了很多奇奇怪怪的问题。经过这两个月的折腾,总算开了个头,基础打好了。

下一步可优化的就是现在的网络移植改用直接操作emac,这样可以减少网络抖动。

附件程序里还参考本站贴子移植了uffs文件系统,编译如果有问题,可能还需要下载uffs、ramdisk、optparse和netutils包。

链接: https://pan.baidu.com/s/1uWbi...
提取码: wdtt

SOEM已经提交PR #1260,等待通过。有问题可通过本帖留言或邮件联系我,大家一起改进。

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小而美的物联网操作系统,经过14年的累积发展,RT-Thread 已经拥有一个国内最大的嵌入式开源社区,同时被广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等多个行业,累积装机量超过4亿台,成为国人自主开发、国内最成熟稳定和装机量最大的开源 RTOS。
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