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

陈工-创龙科技

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

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。

图 1

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。

图 2

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。

图 3

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。

图 4

图 5

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

图 6

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

图 7

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

图 8

执行如下命令，启动EtherCAT主站。
Target# /home/root/EtherCAT/__install/etc/init.d/ethercat start

图 9

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

图 10

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

图 11

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

图 12

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

图 13

图 14

按下"Ctrl + C"，停止运行程序。

图 15

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

图 16

图 17

按下"Ctrl + C"，停止运行程序。

图 18

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。

图 19

（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。

图 20

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/

图 21

进入解压目录，执行如下命令生成configure文件。
Host# ./bootstrap

图 22

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。

图 23

图 24

执行如下命令，进行编译。
Host# make

图 25

图 26

执行如下命令，编译驱动。
Host# make modules

图 27

图 28

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

图 29

图 30

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/

图 31

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

图 32

图 33

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

图 34

5 关键代码 （1） 创建EtherCAT Master。

图 35

（2） 创建域。

图 36

（3） 配置PDO。

图 37

（4） 为域注册PDO条目。

图 38

（5） 激活Master。

图 39

（6） 修改当前进程优先级。

图 40

（7） 进入循环周期任务。

图 41

（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。

图 42

（9） 发送目标速度，转动电机。

图 43

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。

图 44

图 45

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/

图 46

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

图 47

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

图 48

图 49

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

图 50

编译完成后，将在__install目录下生成usr文件夹。

图 51

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/libLD_LIBRARY_PATH

图 52

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。

图 53

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

图 54

表 2 Cyclictest测试结果说明