Ethercat網絡實時多任務從站設計方法研究

楊 濤，徐 方，賈 凱

（1.中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168)

0 引言

計算機技術、控制技術尤其是現場總線技術的發展促使網絡化運動控制系統逐漸取代集中式運動控制系統。Ethercat作為一種高速高效的實時以太網標準機器人、數控機床等分布式運動控制系統中得到了廣泛關注。Ethercat是主從式控制網絡，主站負責網絡的管理，從站負責完成電機閉環控制等底層實時控制任務。從站各個任務都具有較強的實時性要求，并且從站本身也必須具有很強的穩定性，所以有必要對從站需要完成的各種任務進行合理的規劃來提高其實時性、保證系統的穩定性。

傳統的基于前后臺模式的任務設計，除中斷服務程序外，各個任務具有相同的優先級循環執行。這樣的程序不但實時性差而且一旦其中任何一個任務的錯誤執行都將影響整個系統的穩定性。而嵌入式實時操作系統可以管理系統軟硬件資源并對對系統和用戶任務的實時調度，對提高通信系統等實時多任務系統的實時性和穩定性有較好作用。本文研究了一種基于通用實時操作系統的Ethercat從站實時多任務規劃策略，并據此指導從站的設計。

1 實時以太網Ethercat技術分析

1.1 Ethercat基本原理簡介

Ethercat是IEC推薦的10種國際通用實時以太網標準之一。Ethercat具有高速高效的實時控制網絡，通訊速率達100Mb/s，每幀最多可容納1486字節。Ethercat網絡符合OSI/ISO七層網絡架構，其結構如圖1所示。Ethercat物理層采用標準的以太網物理器件、數據鏈路層采用專用的芯片完成，數據鏈路層提供了郵箱數據交換和緩沖數據交換兩種數據交換方式分別適用于實時數據傳輸和非實時數據傳輸，為應用層數據傳輸協議設計提供了有力保證，所以其應用層支持CANpoen、SERCOS、Ethernet等多軸開放的國際標準協議，為用戶應用程序設計提供了很大的方便。本文設計的分布式控制系統應用層采用標準的CANopen協議。

Ethercat應用于分布式控制系統中主要負責實時數據通訊和非實時數據通訊。在基于Ethercat的控制系統中實時數據通訊采用的是周期性數據交換方式，數據以固定的周期在主控制器和從站控制器之間交換實時控制信息與設備信息的實時交換。非實時數據通訊應用于系統的配置，一般只在系統啟動階段進行。下面詳細介紹Ethercat的實時數據和非實時數據通訊機制。

1.2 Ethercat實時數據傳輸過程分析

Ethercat實時數據幀到達從站之后，從站控制器ESC對比邏輯內存管理單元FMMU的地址與數據幀的地址，如果一致，則將數據放入相應的ESC內存區域，此時內存同步管理器SM2產生相應的中斷通知應用層控制器YLMCU產生實時數據處理事件等待處理，YLMCU查詢SM2對應的同步管理器分配對象（索引為0X1C32）中包含的RPDO對象信息，接收相應的數據到RPDO對象指示的PDO應用對象中。

圖1 Ethercat實時數據傳輸原理

1.3 Ethercat非實時數據傳輸過程分析

Ethercat數據幀到達從站后，從站對比自身的站點地址和數據幀中的站點地址，如果一致，從站控制器ESC則將數據幀中數據載入ESC內部RAM區域，并產生相應的標志位等待應用層控制器YLMCU處理。YLMCU查詢到相應的中斷標志后，將RAM區域中的數據通過PDI接口讀入到YLMCU中，并依此按照郵箱協議、CANopen協議等逐層解析，最終實現非實時數據的處理。

圖2 Ethercat非實時數據傳輸原理

1.4 Ethercat多從站同步運行機制分析

基于Ethercat的控制系統一般具有多個從站，各個從站分別在主站的控制下獨立運行，這樣各個從站之間存在時間不同步的問題，時間不同步最終將造成控制不同。特別對于多軸聯動的運動控制系統，各個軸之間必須保證一定的同步運行精度，Ethercat提供了以下三種同步機制完成從站之間的時間和控制同步運算。

1.4.1 自由運行模式

從站的自由運行模式是指各個從站采用自身定時器，定時從自身的網絡數據緩沖區獲取目標位置指令并執行。該方法特點是實現簡單，但是各個驅動器上電時間不一致將導致各個時鐘的起點不同，所以該方法將造成如圖3所示的粗大同步誤差。

圖3 自由運行模式時間同步誤差分析

1.4.2 主站輸出同步模式

主站輸出同步是指各個從站的運行周期不是由自身定時器決定的，而是在收到主站發送的實時通訊數據后產生中斷，依靠中斷信號完成一次通訊。這樣各個伺服軸進行位置采樣的時間差是由數據在網絡上的傳輸延時引起的，而對于高速實時以太網Ethercat而言，該延時是微妙級別的，所以理論上該方法可以達到微妙級別的時間同步。

圖4 主站輸出同步模式時間誤差分析

1.5 網絡分布時鐘同步模式

網絡分布時鐘模式是指Ethercat網絡中從站使用自身定時器產生的脈沖信號作為時間基準，與網絡中的其余從站沒有關聯。分布時鐘機制將Ethercat網絡中第一個從站的時鐘作為網絡系統的參考時鐘。通過補償網絡傳輸延時、系統各個從站的初始化時間偏差、從站時鐘漂移等影響系統中各從站時鐘不一致的因素，使得 Ethercat網絡中主站和各個從站的時鐘同步于參考時鐘，該模式下各個從站時鐘可以達到納秒級別的同步。這樣網絡中的從站按照統一的時間進行數據的采樣和控制，可以達到高精度的同步控制效果。

圖5 分布時鐘模式同步時間誤差分析

2 實時操作系統任務規劃策略和測試方法

基于操作系統的程序是將大的應用程序劃分為多個小任務，操作系統負責調度各個任務保證系統穩定運行。實時操作系統除了具有普通操作系統軟硬件資源管理的功能外還特別強化了任務、中斷的實時處理能力，使之在規定的時間窗口內得到運行。實時操作系統中按照任務執行的特點將操作系統任務分為設備依賴型任務、關鍵任務、緊迫任務和數據處理任務四種類型。

2.1 設備依賴型任務的調度方法

設備依賴型任務是嵌入式系統中最為常見的任務類型。它的特點是其運行依賴于具體的外部設備，比如AD采樣和濾波任務在AD轉換器開始運行之后啟動，但必須在采樣量化之后再次運行才能完成任務，中間需要一定時間等待AD轉換結束。通常外設處理速度比CPU處理速度慢很多，所以該類任務需要等待。此時為了提高CPU的利用率操作系統將CPU占用權轉交給其它任務進，等待該類任務的外設準備完畢后，再由操作系統采用一定的調度機制使之再次得到運行。該類任務可以為普通任務對待，其的規劃運行原理如圖6所示。

圖6 設備依賴型任務調度原理圖

2.2 關鍵型任務的調度方法

關鍵型任務的特點是如果它得不到運行會對系統造成毀滅性的沖擊，但該類任務允許一定時間的等待或者延時。該類任務作為周期性任務交由操作系統定時調度。該類任務應盡量簡單，通常任務僅負責發送信號量，具體的數據處理則交由等待信號量的普通任務執行。

2.3 緊迫型任務的調度方法

緊迫型任務的特點是必須在規定的時間內得到運行，否則沒有意義甚至導致整個系統的崩潰。緊迫任務一般通過硬件中斷觸發，如果處理該任務所耗機時較少則該任務直接在中斷服務程序中完成，否則將該部分封裝為一個優先級較高的任務，由中斷服務函數通過信號量觸發。

2.4 數據處理型任務的調度方法

數據處理任務的特點是消耗機時較長但不緊迫。處理該類任務最好的辦法是采用時間片輪轉的方式，但是大部分實時操作系統不允許多個任務共享同一個優先級不支持時間片輪轉算法，可以采取如圖7所示的模擬時間片算法進行任務調度。該算法將復雜數據處理任務劃分為優先級相近的多個簡單數據處理任務，這樣在操作系統將CPU使用權交給輸出處理任務時，各個優先級相近的數據處理任務按照先后順序交替運行。從CPU運行機時的角度看，各個復雜的數據任務按照時間片輪流占有CPU使用權。

圖7 模擬時間片輪轉算法示意圖

2.5 實時操作系統任務可調度性分析

基于實時操作系統的程序，完成任務劃分后需要進行任務的可調性分析，以確定每個任務是否可以被操作系統及時調度。目前對于實時操作系統的任務可調度性分析普遍采用的分析方法是速率單調分析（RMA），該方法基于以下假設：

所有任務都是周期性運行的；

任務獨立，互不交叉；

每個任務執行的時間是固定的；

每個任務都可以在下個周期到來前完成規定的任務；

RMA的測試公式為：

式中n為任務總個數，Ci為任務i執行一次的最長時間。Ti為任務i的周期；U(n)為CPU利用系數的上限。任務總個數與最大可利用系數的關系如表1所示。

表1 任務總個數與最大可利用系數表

如果完成操作系統任務規劃之后計算出的RMA值小于上表所計算出的利用系數上限并留有一定的裕量，則操作系統可以正常調度各個任務，實時性和穩定性可得到保障，否則需要重新規劃。

3 從站任務劃分

Ethercat從站負責主要周期性數據鏈路/應用層狀態機切換、輸入輸出、非周期性數據輸入輸出、用戶數據處理與設備控制等任務。

3.1 有限狀態控制任務規劃

Ethercat狀態機和應用層狀態機的控制著數據鏈路層和應用層的功能，必須定時得到刷新。但是此類任務的執行時間窗口一般比較寬，所以將該類任務作為關鍵任務，通過操作系統提供的定時器軟中斷方式觸發，中斷服務程序通過信號量機制啟動相應的狀態切換任務，此類任務的優先級設計比周期性處理任務優先級低。

3.2 實時非數據通訊任務規劃

從站的非實時數據通訊主要用于完成系統配置工作，一般在系統正常運行之前完成，不存在多任務搶占CPU的問題。所以可以將非周期性數據傳輸任務劃分為低優先級的普通任務。

3.3 實時數據通訊任務規劃

Ethercat控制網絡通過實時數據通訊任務必須周期性運行，不允許超時或者丟包，否則將對系統造成較大沖擊。該任務為緊迫任務。Ethercat標準為了滿足控制系統多個從站高精度同步運行的需求，采用中斷方式響應同步信號（時間同步信號、IO同步信號、分布時鐘同步信號）。由于實時通訊任務需要做的運算占用機器較多，不能在中斷服務程序中完成，所以在中斷服務程序中通過啟動相應的信號量分配機制。通過信號量分配任務分發相應信號量啟動數據處理任務。同時為了使數據處理任務及時運行，將數據處理任務劃分為幾個比較小的任務，并賦予比較高的優先級。

圖8 實時數據通訊任務調度原理

3.4 實時數據通訊任務規劃

Ethercat從站一般需要完成特定的控制功能。完成這些功能需要與進行信號采樣和數據處理，所以該類任務屬于數據處理類任務，可采用模擬時間片輪轉的方式進行規劃，并且使各個任務的優先級均低于狀態轉換任務。

4 Ethercat從站設計實例

4.1 機器人IO系統簡介

機器人控制系統的IO控制系統負責機器人上下電控制、運行狀態指示、安全保護、外設擴展等功能，所以IO系統是機器人安全運行的保證，必須能長時間穩定運行，并具有足夠高的實時性能。基于Ethercat的機器人控制系統中的IO控制系統是Ethercat 從站之一IO從站。本文設計的IO從站應用層支持標準CANopen DS401 IO行規，支持多種格式輸入輸出的64路可配置IO信號。

4.2 IO從站硬件設計

Ethercat從站是特殊的網絡設備，采用網絡設備常用的分層方法完成物理層、數據鏈路層、應用層和外部設備硬件設計，從站整體結構如圖9所示。

圖9 IO從站硬件結構圖

Ethercat IO從站物理層采用普通網絡設備的物理層，使用工業加固型RJ45接口，普通網絡變壓器、不帶數據緩沖區的PHY設備（為了提高系統的實時性，不需要數據緩沖區），物理層PHY通過標準接口MII與數據鏈路層設備相連。

Ethercat數據鏈路層需要使用的專業的電路芯片，這里數據鏈路層采用是BECKHOFF公司生產的Ethercat從站控制器ESC ET1100，它通過I2C接口與外部EEROM連接，在EEROM中存儲ESC基本配置信息和啟動信息。ESC還可以配置它與應用層設備連接方式，這里選用通用的SPI串行接口與高層設備進行數據交換。

Etheract應用層設備不僅是應用層協議實現的載體，也是用戶控制程序的載體。為了減小實時操作系統移植開發的時間、提高操作系統的穩定性，采用TI公司開發的支持實時操作系統TI/BIOS的TMS320F2812 DSP芯片作為從站的應用層硬件設備。DSP和從站控制器ESC之間采用SPI接口連接，IO從站的外部設備IO模塊對驅動能力沒有過高要求，它僅作為信號模塊所用，所以IO設備可以直接采用DSP芯片的GPIO接口配合高速光耦完成。

4.3 IO從站軟件任務規劃

IO從站軟件在DSP/BIOS操作系統上開發。DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C5000TM和TMS320C28xTM等DSP平臺設計開發的尺寸可裁剪的實時多任務操作系統內核。DSP/BIOS以模塊化方式提供給用戶對線程、中斷、定時器、內存資源、所有外設資源的管理能力都可以根據需要剪裁。實際應用中需要的定制算法作為一個線程插入DSP/BIOS的調度隊列，由DSP/BIOS進行調度。

IO從站的任務是按照主站發送的命令正確的讀寫IO信息，所以IO從站除了完成必須通訊任務之外還需要完成IO的定時刷新功能。按照前文所述的任務劃分原理對IO從站任務進行劃分，結果如表2所示。

表2 IO從站任務規劃列表

根據上表所述的任務劃分方法，結合TI/BIOS操作系統任務調度的特點，設計IO從站的軟件結構如圖10所示。

圖10 Ethercta從站軟件結構圖

利用TI/BIOS單次可執行的任務main函數完成DSP時鐘、中斷、外設的初始化工作和Ethercat協議變量的初始化。利用周期性執行PRD任務完成Ethercat狀態機刷新（周期為0.5ms，任務優先級為6）、CANopen狀態機刷新（周期為1ms任務優先級為5）、IO外設刷新（周期為2ms，任務優先級為4）。將Ethercat實時數據通訊任務作為優先級為2的普通任務并處于堵塞狀態，等待Ethercat同步信號，不同的同步模式下同步信號也不相同。將Ethercat的非實時數據通訊任務設計為優先級為1的普通任務，并處于阻塞狀態等待相應信號量觸發。

5 結論

通過TI/BISO計算和統計得知各個任務的RMA測試參數如表3所示。

表3 IO從站RMA參數測試實驗數據表

7個任務總共占用28.1%的CPU機時，遠小于U(5)（74.3%），滿足RMA測試公式的要求，所以操作系統可以穩定的調度這些任務，證明本文提出的基于實時操作系統的Ethercat從站實時多任務規劃策略可以滿足從站設計需求，并且簡化了從站設計的難度。

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