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[ARM入门]

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

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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)


如果你还想了解更多嵌入式应用的相关知识,欢迎关注Tronlong创龙科技~


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