NuMaker-IIoT-NUC980 測評之 EtherCAT 實現(xiàn)
1、背景作者：lg28870983
最近計劃DIY一個EtherCAT控制器，一直在看資料和選型，初步定了NUC980的方案，主要是看中NUC980的RAM比較大，采購還算方便（最近缺芯，大家都懂）。
選定硬件之后，NUC980跑什么系統(tǒng)呢？從以往經驗來看，ARM9一般跑linux比較多，資源也好找，同時官方提供BSP。但這次任務有點特殊，EtherCAT對實時性要求比較高，linux不是最合適的。結合MCU開發(fā)經驗，就準備上個RTOS，以前M3和M4的芯片，主要用FreeRTOS，最近也開始用RT-Thread。新唐官方也推出了NUC980的RT-Thread版BSP，對開發(fā)者非常友好，最終決定了NUC980+RT-Thread的方案。
剛好最近官方有個DIY項目官方活動，就報了名。
2、EtherCAT 主站軟件方案
EtherCAT本身還是比較復雜的，我們就不自己造輪子了，考慮用開源方案，畢竟硬件成本這么低，商用方案是真的用不起！
現(xiàn)在開源主站主要就兩種，SOEM和IGH（相關的資料網上很多，這兒就不展開了），IGH只支持linux，所以只能選SOME，最新版本是SOEM1.4，本次移植就基于該版本。
3、移植過程
3.1 RT-Thread 下載
本次移植基于最新發(fā)布的release4.1.0, 這個可以到github下載，最近Gitee也更新了。移植EtherCAT之前，首先把Nuvoton的BSP跑起來。這個參考官方的文檔就可以了。
3.2 Some 移植
下載soem-1.4.0，將整個目錄放在rt-thread項目里，下圖是我的目錄，供參考
在some-1.4.0及其子目錄中需要手工編輯SConscript腳本，這兒就不展開了。后續(xù)我把源碼打包發(fā)上來。
Some移植主要是三個文件 osal.c，oshw.c和nicdrv.c。
osal.c 主要是微秒及的延時和定時函數(shù)；
oshw.c 主要是網絡端和本機端數(shù)據(jù)的大小端轉換；
nicdrv.c 主要是網絡數(shù)據(jù)收發(fā)。
Some已經給出了很多操作系統(tǒng)移植，我的移植是基于rtk，這個是嵌入式系統(tǒng)，和我們的開發(fā)環(huán)境最接近。
3.2.1 osal.c 移植
主要內容是實現(xiàn)osal_usleep和osal_gettimeofday兩個函數(shù)。
我開始思路是自定義一個定時器用于EtherCAT，當時用了Timer4。等實現(xiàn)差不多了，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時鐘用的是Timer5，很多地方功能重復。最終和系統(tǒng)共用Timer5，省了個Timer，代碼也簡化了不少。下面就是改動過的相關代碼 (請至評測原文網址)，osal_timer_init這個初始化函數(shù)要在啟動EhterCAT功能之前調用。
3.2.2 oshw.c 移植
不需做什么工作。
3.2.3 nicdrv.c 移植
主要修改就是調用自己的網絡發(fā)送和接收函數(shù)，我把它們命名為net_send和net_recv。這兩個函數(shù)最好的實現(xiàn)是直接操作網卡（或者叫emac），我現(xiàn)在的實現(xiàn)參考了tcpdump的方法，在協(xié)議棧中加鉤子（hook）實現(xiàn)，這樣對原來系統(tǒng)影響最小，網口除了EtherCAT，還可以當正常的網口用。
ecx_setupnic函數(shù)中創(chuàng)建mutex（這個按照rt-thread格式改一下即可），安裝網絡鉤子
ecx_closenic函數(shù)中刪除mutex，卸載網絡鉤子。
3.2.4 net_hook.c 實現(xiàn)
主要實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)幀收發(fā)，中間加了個環(huán)形緩沖區(qū)用于接收。具體原理就是在網卡加個鉤子函數(shù)，有數(shù)據(jù)來的時候先經過鉤子函數(shù)，我們把EtherCAT數(shù)據(jù)幀截住，不傳給原來的lwip協(xié)議棧；如果要發(fā)送數(shù)據(jù)，就直接調用發(fā)送函數(shù)，繞過lwip協(xié)議棧。這樣也不影響lwip協(xié)議棧工作。
具體實現(xiàn)見附件。
3.2.5 some 基本功能測試
采用官方的slave_info測試代碼，測試主要分為時鐘測試和soem EtherCAT協(xié)議；竟δ軠y試。在終端中輸入 soem_test + 回車即可。
我接了一個匯川IS620N驅動器，下面是輸出的部分內容：
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、運動控制測試
基礎工作做好以后，我們就能真正的控制電機運行了。在控制電機運行之前，還需要了解CIA402相關的規(guī)范，啟動伺服需要按照規(guī)范要求，按順序來。
程序主要流程如下，具體代碼見附件。
a)初始化時鐘 osal_timer_init
b)初始化網卡ec_init
c)等待進入INIT態(tài)
d)初始化驅動器（is6（is620n）ec_config_init
e)DC配置
f)申請并等待進入Pre-OP態(tài)
g)配置過程數(shù)據(jù)TxPDO/RxPDO（自定義函數(shù)process_data_config）
h)配置FMMU ec_config_map
i)申請并等待進入Safe-OP態(tài)
j)設置CSP模式
k)發(fā)送和接收過程數(shù)據(jù)1次，觸發(fā)SLAVE
l)申請并等待進入OP態(tài)
m)進入過程數(shù)據(jù)收發(fā)循環(huán)
在進入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)循環(huán)后，按次序發(fā)送控制字啟動伺服（6040h發(fā)送6，7和15），然后就可以不斷發(fā)送新的控制位置讓電機轉起來了！
5、總結
整個移植過程還是充滿了挑戰(zhàn)，主要也是因為今年才開始接觸EtherCAT，很多概念是邊學邊用，網上也參考了不少同學的帖子。很多人反應匯川的伺服用SOEM驅動DC同步模式總是有問題，確實遇到了很多奇奇怪怪的問題。經過這兩個月的折騰，總算開了個頭，基礎打好了。
下一步可優(yōu)化的就是現(xiàn)在的網絡移植改用直接操作emac，這樣可以減少網絡抖動。
附件程序里還參考本站貼子移植了uffs文件系統(tǒng)，編譯如果有問題，可能還需要下載uffs、ramdisk、optparse和netutils包。
鏈接: https://pan.baidu.com/s/1uWbiUfzX1R061OJQ5LG6OQ?pwd=wdtt
提取碼: wdtt
SOEM已經提交PR #1260，等待通過。有問題可通過本帖留言或郵件聯(lián)系我，大家一起改進。
編輯：admin 最后修改時間：2023-03-04
