NUC980 DIY项目大挑战 - EtherCAT实现

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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:1Name:IS620NOutput size: 96bitsInput size: 224bitsState: 4Delay: 0[ns]Has DC: 1DCParentport:0Activeports:1.0.0.0Configured address: 1001Man: 00100000 ID: 000c0108 Rev: 00010001SM0 A:1000 L: 128 F:00010026 Type:1SM1 A:1400 L: 128 F:00010022 Type:2SM2 A:1800 L:  12 F:00010064 Type:3SM3 A:1c00 L:  28 F:00010020 Type:4FMMU0 Ls:00000000 Ll:  12 Lsb:0 Leb:7 Ps:1800 Psb:0 Ty:02 Act:01FMMU1 Ls:0000000c Ll:  28 Lsb:0 Leb:7 Ps:1c00 Psb:0 Ty:01 Act:01FMMUfunc 0:1 1:2 2:0 3:0MBX length wr: 128 rd: 128 MBX protocols : 04CoE details: 0d FoE details: 00 EoE details: 00 SoE details: 00Ebus 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/1uWbiUfzX1R061OJQ5LG6OQ?pwd=wdtt
提取码: wdtt

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