傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)由于分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)繁多無(wú)法統(tǒng)一、傳輸數(shù)據(jù)量小等缺點(diǎn)越來(lái)越難以滿(mǎn)足不斷發(fā)展的工業(yè)控制需求,基于以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)逐漸成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。EtherCAT是一種實(shí)時(shí)可靠的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù),具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。本論文設(shè)計(jì)了一套EtherCAT主站協(xié)議棧的完整方案,分別使用RTX和Xenomai實(shí)時(shí)擴(kuò)展內(nèi)核提升了Windows和Linux兩個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)下主站系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能,并提出一種時(shí)鐘漂移補(bǔ)償計(jì)算方法提高了主從系統(tǒng)間的同步精度。本文首先研究了EtherCAT總線(xiàn)協(xié)議,深入解析物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層多個(gè)協(xié)議要點(diǎn),包括物理傳輸標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、尋址方式、通信服務(wù)命令、分布時(shí)鐘、狀態(tài)機(jī)、存儲(chǔ)同步管理通道以及CoE協(xié)議。通過(guò)對(duì)EtherCAT協(xié)議和主從站通信需求的深入分析,實(shí)現(xiàn)了由主站協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)通信硬件組成的EtherCAT主站系統(tǒng)。主站協(xié)議棧根據(jù)功能劃分為四個(gè)模塊:協(xié)議配置模塊、通信運(yùn)行模塊、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊和應(yīng)用層接口模塊。各模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求互相配合,實(shí)現(xiàn)從站各狀態(tài)下配置協(xié)議通道、控制從站狀態(tài)轉(zhuǎn)換、在從站運(yùn)行期間收發(fā)過(guò)程數(shù)據(jù)幀控制從站輸出的功能。深入研究了... 

【文章來(lái)源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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圖 4-2 RTX/Windows 延遲測(cè)試結(jié)果4.1.2 Xenomai/Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)Linux 是一個(gè)高可靠性、高可移植性、可剪裁、免費(fèi)的操作系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)是源代碼完全公開(kāi)，具有功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)工具多等特點(diǎn)。Linux 系統(tǒng)存在快速執(zhí)行服務(wù)程序而關(guān)閉中斷的機(jī)制，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)無(wú)法搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行，增加了中斷響應(yīng)和任務(wù)調(diào)度時(shí)間，極大地破壞了實(shí)時(shí)性。同時(shí) Linux 系統(tǒng)時(shí)鐘粒度粗糙，系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)能達(dá)到的最小周期相對(duì)過(guò)大，接近 1ms 左右，而一般伺服系統(tǒng)的最小控制周期已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 1ms。同時(shí)如果系統(tǒng)時(shí)鐘粒度設(shè)置太小，會(huì)增大系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)降低系統(tǒng)吞吐率[64]。因此配置一個(gè)實(shí)時(shí) Linux 系統(tǒng)是開(kāi)發(fā) EtherCAT 實(shí)時(shí)主站的前提條件之一。Linux 實(shí)時(shí)改造方法包括修改 Linux 內(nèi)核源碼和雙內(nèi)核法[65]。修改內(nèi)核源碼可以通過(guò)安裝 Preempt_RT 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁實(shí)現(xiàn)操作[66]。雙內(nèi)核法是在 Linux 內(nèi)核外擴(kuò)展一個(gè)用于執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)的微內(nèi)核，兩個(gè)內(nèi)核在同一個(gè)硬件平臺(tái)配合工作，對(duì)原有內(nèi)核的修改小，保

圖 4-4 Xenomai 1ms 延遲測(cè)試結(jié)果分析該測(cè)試結(jié)果，在 1ms 調(diào)度情況下沒(méi)有出錯(cuò)，平均延遲時(shí)間小于 1.5μs，最間低于 16μs。根據(jù)該測(cè)試結(jié)果可知，Xenomai/Linux 實(shí)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有時(shí)性能，能夠滿(mǎn)足高速高精度的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性需求。 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)平臺(tái)上常使用集成網(wǎng)卡完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的通為保證主站軟件網(wǎng)絡(luò)通信收發(fā) EtherCAT 數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)性，需要將系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)備添加到相應(yīng)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)中，配置實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。RTX 和 X絡(luò)通信及網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)配置安裝方式互不相同，分別介紹如下。（1）RTX 子系統(tǒng)提供有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信的接口函數(shù)，同時(shí)提供有網(wǎng)卡設(shè)備件。網(wǎng)卡設(shè)備默認(rèn)為 Windows 的硬件設(shè)備，在 RTX 屬性控制面板或 Wind理器的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)安裝界面中選取 INF 文件即可轉(zhuǎn)換到 RTX 子系統(tǒng)下。程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，RTX 網(wǎng)卡初始化函數(shù)需要輸入目標(biāo)網(wǎng)卡設(shè)備的型號(hào)、PCI 總

【參考文獻(xiàn)】：
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