本帖最后由 Tronlong创龙 于 2023-6-14 11:29 编辑
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：
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。
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
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/lib:$LD_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
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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