EtherCAT 开源主站 IGH 在 linux 开发板的移植和伺服通信测试_ethercat主站实时性测试

手边有一套正点原子linux开发板imax6ul，一直在吃灰，周末业余时间无聊，把EtherCAT的开源IGH主站移植到开发板上玩玩儿，搞点事情做。顺便学习研究下EtherCAT总线协议及其对伺服驱动器的运动控制过程。实验很有意思，这里总结下实验过程，分享给有需要的小伙伴。

前言

igh EtherCAT Master是一个用于控制EtherCAT网络的软件模块，它提供了主站功能。主站负责与从站进行通信和同步，控制从站的操作。igh EtherCAT Master具有丰富的功能和灵活的配置选项，可以满足不同应用场景的需求。它提供了一系列的API和工具，使得开发者可以方便地进行EtherCAT网络的开发和调试。

igh EtherCAT Master是用的最多且实时性最好的 EtherCAT 开源主站。很多公司项目软件主站都是用的它，有很多软件专利可以挖掘。一些公司的机器人主控四肢电机驱动器通信和运动板卡，采用的也是IgH 。基于IgH作产品开发，基本能满足大部分使用场景。

关于EtherCAT主站协议栈，目前有两大主流开源代码为SOEM（即支持Linux，又支持windows ）和IgH EtherCAT Master只支持Linux ）。

本文以IgH最新稳定版本1.6来移植，简单记录下IgH EtherCAT Master在嵌入式系统中的移植过程及主从站伺服驱动器通信测试。（ [Linux 内核版本：Linux-4.1.15] ）。

IgH官方介绍：

EtherCAT-Master | EtherLab

整个交叉编译过程很顺利，没遇到一点儿报错。本次移植仅是测试，简单起见使用通用的网卡驱动，性能上肯定不是最好。要想高性能一方面需要给内核打实时性补丁，一方面还需对特定的网卡驱动进行优化适配。源码里自带了一些网卡驱动，如8139和e1000网卡驱动，Igb（Intel Gigabit ）以太网驱动程序。

8139和e1000是两种常见的网卡芯片，分别由Realtek和Intel生产。Realtek 8139（也称为RTL8139）是Realtek生产的一款常用的乙太网网卡芯片，广泛应用于早期的计算机和嵌入式系统中。Intel e1000系列是Intel生产的一组高性能千兆位乙太网控制器芯片，包括e1000、e1000e和82574等型号，适用于桌面计算机、服务器和嵌入式系统。这两种网卡芯片均具有集成的MAC（Media Access Control）功能，用于管理数据链路层的访问和控制，以及PHY（Physical Layer）功能，用于处理物理层的信号传输和解调。它们同时具备MAC和PHY功能。

移植准备

IGH最新稳定版1.6源码下载地址：

https://gitlab.com/etherlab.org/ethercat/-/archive/stable-1.6/ethercat-stable-1.6.tar.gz

准备Linux-4.1.15内核源码，（编译驱动模块需要) 我的路径：

/root/test/imax6ul/linux

开发板提供的gcc交叉编译工具链：

/opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0/environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi

如果还想要给内核打上实时性补丁包，可以在这找到：Index of /pub/linux/kernel/projects/rt/4.14/

#为内核源码打上实时补丁
cd linux
patch -p 1 -i ../patch-4.10.199-rt97.patch

至此，准备工作完成。 

源码编译过程

先加载编译环境变量，直接执行以下指令即可。

source /opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0/environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi

执行完成后， arm-poky-linux-gnueabi-gcc已经加入到环境变量中了。可以在命令行输出echo $CC试试看，输出了arm-poky-linux-gnueabi-gcc，说明环境已经生效了。

 编译主站程序和协议栈

# EtherCAT 源码存放目录为：/root/test/ethercat/ethercat-stable-1.6
# Linux-4.1.15 源码存放目录为：/root/test/imax6ul/linux/ linux-4.1.15
 
tar -zxvf ethercat-stable-1.6.tar.gz	# 解压源码 /root/test/ethercat/ethercat-stable-1.6
cd ethercat-stable-1.6
 
# --prefix是指定你下面make install时的安装目录，--with-linux-dir是指定你的linux内核目录
./configure --prefix=/root/test/ethercat/output --with-linux-dir=/root/test/imax6ul/linux --enable-8139too=no --enable-generic=yes --host=arm-poky-linux-gnueabi
 
make	# 编译主站和协议栈源码
 
make install #安装到指定目录

经过上面的交叉编译，只是编译出了主站协议栈库和自带主站工具及程序，但是这还不算完。

ethercat：可执行程序是用于配置和管理 EtherCAT 主站（IGH 主站）的命令行工具。

ethercatctl：是一个用于控制 EtherCAT Master 运行状态的命令行工具。它提供了启动、停止、重启 EtherCAT Master 等操作的命令，用于管理 EtherCAT Master 的运行。

经过上面的编译，编译出来的内容如下图所示：

库和头文件： 

linux内核驱动模块还没出来，所以直接是运行不起来的，还需要编译出内核网络驱动模块。

编译内核驱动模块

#编译网卡驱动模块
# 指定交叉编译工具，编译modules
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-poky-linux-gnueabi- modules 		# 编译通过会对应生成ethercat-stable-1.6/devices/ec_generic.ko和ethercat-stable-1.6/master/ec_master.ko
sudo make install		# 在该目录下生成output目录

成功编译出了ec_master.ko 和 ec_generic.ko的linux驱动模块。 

ec_master.ko：用于支持 EtherCAT 主站运行的 Linux 内核模块。它实现了 EtherCAT 主站协议栈，允许在 Linux 系统上与 EtherCAT 从站设备进行实时通信和数据交换。主要负责存储一些ethercat从站信息，管理domains域，管理从站配置等有关于ethercat系统的资源,在/etc/sysconfig/ethercat中配置的MASTER0_DEVICE会作为该模块参数传入主站模块，最终成为主站模块的mac使用网络地址，即master->macs；

ec_generic.ko，经由系统网络栈利用标准以太网 (Ethernet) 的网络驱动程序。

ec_generic，这个通用的驱动文件是在TCP/IP协议栈接口之上进行调用的，所以会走TCP/IP协议栈，会影响实时性。正式用应优化网卡驱动，在网卡驱动上直接支持IgH接口。

放到板子上运行

复制ec_generic.ko和ec_master.ko到/lib/modules/内核版本号，复制ethercat到usr/local/bin目录下。安装通用网卡驱动，配置rules,创建设备号。

操作步骤

# 在/root/test/ethercat目录下创建modules文件夹，并复制ec_generic.ko和ec_master.ko到modules下
mkdir -p output/modules
cp devices/ec_generic.ko output/modules/
cp master/ec_master.ko output/modules/
 
# 将output文件夹打包，传输到开发板（nfs/tftp/scp）
tar -cjf output.tar.bz2 output/
 
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 开发板上执行
tar -jxvf output.tar.bz2
 
cp output/modules/ec_generic.ko /lib/modules/4.1.15
# 复制ec_master.ko到/lib/modules/内核版本号/ 
cp output/modules/ec_master.ko /lib/modules/4.1.15 # 内核版本可以通过uname -r 查看
 
depmod
 
ln -fs output/etc/init.d/ethercat /etc/init.d/ # 创建链接，相比于复制节省内存空间
ln -fs output/bin/ethercat /usr/local/bin/
 
mkdir /etc/sysconfig
ln -fs output/etc/sysconfig/ethercat /etc/sysconfig/
 
# 配置rules,创建设备号
echo KERNEL==\"EtherCAT[0-9]*\", MODE=\"0664\" > /etc/udev/rules.d/99-EtherCAT.rules
 
# 获取板子MAC地址
ifconfig
# eth2  Link encap:以太网  硬件地址 00:0c:29:01:69:aa
 
 
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 启动EtherCAT
# 配置主站的MAC地址
modprobe ec_master main_devices=1E:ED:19:27:1A:B3 
 
# 启动ethercat
/etc/init.d/ethercat start
 
# 安装通用网卡驱动
insmod  output/modules/ec_generic.ko
 
# 通过ethercat查看信息
Ethercat --help

运行测试

通过网线直连ethercat主从站，从站启动完成后，启动ethercat。

/etc/init.d/ethercat start

下面就可以使用 ethercat 工具来进行一些操作了。

sudo ethercat cstruct

ethercat 命令行

EtherCAT 命令行在 《EtherCAT IGH 1.52.pdf》中的 <7.1 Command-line Tool> 也有很详细的一个介绍。在编译和安装IGH的时候，如果不修改默认的编译参数，那么就是会提供 EtherCAT 命令行工具的。每个主站的实例都有生成一个字符设备，名字为：/dev/EtherCATx, 其中 x ∈ {0 . . . n}为主站实例的索引。

常用命令介绍

ethercat master

该命令行用来显示主站和以太网设备信息。

列出主站状态：

ethercat slaves

列出连接的从站：

ethercat cstruct

ethercat sdos

该命令行用来输出当前驱动器支持的所有的SDO信息。

举例：

@:~$ ethercat upload 0x2001 0x0000
0x03e8 1000

解析：读取从站0中索引号为 0x2001（16位），子索引号为00（8位）的SDO条目。返回的参数值为 1000。

注意：必须有从站连接才能使用此命令，不运行应用程序也可以使用。

 ethercat download

该命令行用以向指定的从站 SDO 中的子索引中写入相应的参数值。

例子:

向从站0的索引号为0x6060（16位），子索引号为00（8位）的地址写入参数值"0x08"。

@:~$ sudo ethercat download -t int16 -p 0 0x6060 00 08

有的SDO 可能是由于厂家的限制，不能写入参数。

@:~$ sudo ethercat download -t uint16 0x2008 0x0000 0x000f
SDO transfer aborted with code 0x08000021: Data cannot be transferred or stored to the application because of local control

注意：必须有从站连接才能使用此命令，不运行应用程序也可以使用。 

@:~$ ethercat sdos
SDO 0x1000, "Device type"
  0x1000:00, r-r-r-, uint32, 32 bit, "Device type"
SDO 0x1001, "Error register"
  0x1001:00, r-r-r-, uint8, 8 bit, "Error register"
SDO 0x1008, "Device name"
  0x1008:00, r-r-r-, string, 72 bit, "Device name"
SDO 0x1009, "Hardware version"
  0x1009:00, r-r-r-, string, 24 bit, "Hardware version"
SDO 0x100a, "Software version"
  0x100a:00, r-r-r-, string, 32 bit, "Software version"
SDO 0x1010, "store parameters"
  0x1010:00, r-r-r-, uint8, 8 bit, "SubIndex 000"
  0x1010:01, rwrwrw, uint32, 32 bit, "save all parameters"
  0x1010:02, rwrwrw, uint32, 32 bit, "save communication parameters"
  0x1010:03, rwrwrw, uint32, 32 bit, "save application parameters"
  0x1010:04, rwrwrw, uint32, 32 bit, "save manufacturer defined parameters"
..............
SDO 0x6007, "Abort_connection_option_code"
  0x6007:00, rwrwrw, int16, 16 bit, "Abort_connection_option_code"
SDO 0x603f, "errorcode"
  0x603f:00, r-r-r-, uint16, 16 bit, "errorcode"
SDO 0x6040, "controlword"
  0x6040:00, rwrwrw, uint16, 16 bit, "controlword"
SDO 0x6041, "statusword"
  0x6041:00, r-r-r-, uint16, 16 bit, "statusword"
..............

ethercat pdos

该命令行用来显示出同步管理器的参数和PDO分配和映射信息。

ethercat upload

该命令行用以读取指定从站相应PDO设定的参数值。

其他一些命令，参考：EtherCAT IGH 命令行介绍_igh ethercat-CSDN博客

@:~$ ethercat --help
  alias      Write alias addresses.
  config     Show slave configurations.
  crc        CRC error register diagnosis.
  cstruct    Generate slave PDO information in C language.
  data       Output binary domain process data.
  debug      Set the master's debug level.
  domains    Show configured domains.
  download   Write an SDO entry to a slave.
  eoe        Display Ethernet over EtherCAT statictics.
  foe_read   Read a file from a slave via FoE.
  foe_write  Store a file on a slave via FoE.
  graph      Output the bus topology as a graph.
  ip         Set EoE IP parameters.
  master     Show master and Ethernet device information.
  pdos       List Sync managers, PDO assignment and mapping.
  reg_read   Output a slave's register contents.
  reg_write  Write data to a slave's registers.
  rescan     Rescan the bus.
  sdos       List SDO dictionaries.
  sii_read   Output a slave's SII contents.
  sii_write  Write SII contents to a slave.
  slaves     Display slaves on the bus.
  soe_read   Read an SoE IDN from a slave.
  soe_write  Write an SoE IDN to a slave.
  states     Request application-layer states.
  upload     Read an SDO entry from a slave.
  version    Show version information.
  xml        Generate slave information XML.
 
Global options:
  --master  -m <master>  Comma separated list of masters
                         to select, ranges are allowed.
                         Examples: '1,3', '5-7,9', '-3'.
                         Default: '-' (all).
  --force   -f           Force a command.
  --quiet   -q           Output less information.
  --verbose -v           Output more information.
  --help    -h           Show this help.
 
Numerical values can be specified either with decimal (no
prefix), octal (prefix '0') or hexadecimal (prefix '0x') base.
 
Call 'ethercat <COMMAND> --help' for command-specific help.

测试效果

网上有一组测试效果，连接五个从站，主站单次收发数据的平均耗时以及实时性。测试主站单次收发数据的平均耗时的程序每隔 100 μs 发送并接收一次过程数据，如此每循环 10000 次记录一下当前时间，相邻两次记录的时间间隔减去其间空闲时间 100 μs × 10000 = 1 s 再除以收发次数 10000 便得到单次收发数据的平均耗时，使用三种不同的网卡驱动，三种情形下的大致结果如下表：

主站测试代码

#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/resource.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
/****************************************************************************/
 
#include "ecrt.h"
 
/****************************************************************************/
 
// Application parameters
#define FREQUENCY 100
#define PRIORITY 1
 
// Optional features
#define CONFIGURE_PDOS  1
 
/****************************************************************************/
 
// EtherCAT
static ec_master_t *master = NULL;
static ec_master_state_t master_state = {};
 
static ec_domain_t *domain1 = NULL;
static ec_domain_state_t domain1_state = {};
static ec_domain_t *domain2 = NULL;
static ec_domain_state_t domain2_state = {};
 
static ec_slave_config_t *sc;
static ec_slave_config_state_t sc_ana_in_state = {};
 
// Timer
static unsigned int sig_alarms = 0;
static unsigned int user_alarms = 0;
 
/****************************************************************************/
 
// process data
static uint8_t *domain1_pd = NULL;
static uint8_t *domain2_pd = NULL;
 
#define BusCouplerPos  0, 0
 
#define TI_AM3359ICE    0xE000059D, 0x54490001
 
// offsets for PDO entries
static unsigned int off_dig_out2;
static unsigned int off_dig_in2;
 
static unsigned int counter = 0;
static unsigned int blink = 0x00;
 
/*****************************************************************************/
 
#if CONFIGURE_PDOS
ec_pdo_entry_info_t slave_0_pdo_entries[] = {
	{0x7010, 0x00, 32},
	{0x6000, 0x00, 4*8},
};
ec_pdo_info_t slave_0_pdos[] = {
	{0x1601, 1, slave_0_pdo_entries + 0},
	{0x1a00, 1, slave_0_pdo_entries + 1},
};
static ec_sync_info_t slave_0_pdo_syncs[] = {
	{2, EC_DIR_OUTPUT, 1, slave_0_pdos + 0},
    {3, EC_DIR_INPUT,  1, slave_0_pdos + 1},
    {0xff}
};
 
#endif
 
/*****************************************************************************/
 
void check_domain1_state(void)
{
    ec_domain_state_t ds;
 
    ecrt_domain_state(domain1, &ds);
 
    if (ds.working_counter != domain1_state.working_counter)
        printf("Domain1: WC %u.\n", ds.working_counter);
    if (ds.wc_state != domain1_state.wc_state)
        printf("Domain1: State %u.\n", ds.wc_state);
 
    domain1_state = ds;
}
 
/*****************************************************************************/
void check_domain2_state(void)
{
    ec_domain_state_t ds;
 
    ecrt_domain_state(domain2, &ds);
 
    if (ds.working_counter != domain2_state.working_counter)
        printf("Domain2: WC %u.\n", ds.working_counter);
    if (ds.wc_state != domain2_state.wc_state)
        printf("Domain2: State %u.\n", ds.wc_state);
 
    domain2_state = ds;
}
 
/*****************************************************************************/
 
void check_master_state(void)
{
    ec_master_state_t ms;
 
    ecrt_master_state(master, &ms);
 
    if (ms.slaves_responding != master_state.slaves_responding)
        printf("%u slave(s).\n", ms.slaves_responding);
    if (ms.al_states != master_state.al_states)
        printf("AL states: 0x%02X.\n", ms.al_states);
    if (ms.link_up != master_state.link_up)
        printf("Link is %s.\n", ms.link_up ? "up" : "down");
 
    master_state = ms;
}
 
/*****************************************************************************/
 
void check_slave_config_states(void)
{
    ec_slave_config_state_t s;
 
    ecrt_slave_config_state(sc, &s);
 
    if (s.al_state != sc_ana_in_state.al_state)
        printf("AnaIn: State 0x%02X.\n", s.al_state);
	
    if (s.online != sc_ana_in_state.online)
        printf("AnaIn: %s.\n", s.online ? "online" : "offline");
    if (s.operational != sc_ana_in_state.operational)
        printf("AnaIn: %soperational.\n",
                s.operational ? "" : "Not ");
 
    sc_ana_in_state = s;
}
 
/*****************************************************************************/
 
void cyclic_task()
{
    // receive process data
    ecrt_master_receive(master);
    ecrt_domain_process(domain1);
	ecrt_domain_process(domain2);
 
    // check process data state (optional)
    check_domain1_state();
	check_domain2_state();
 
//    if (counter) {
//        counter--;
//    } else { // do this at 1 Hz
        counter = FREQUENCY;
 
        // calculate new process data
		blink ++;
 
        // check for master state (optional)
        check_master_state();
 
        // check for islave configuration state(s) (optional)
        check_slave_config_states();
	//	printf("AnaIn: value=0x%x\n", EC_READ_U32(domain2_pd + off_dig_in2));
 
printf("AnaIn: value=0x%x\n", EC_READ_U32(domain2_pd + off_dig_in2));
//printf("AnaIn: value=0x%x\n", EC_READ_U32(domain2_pd + off_dig_in2 + 4));
		EC_WRITE_U32(domain1_pd + off_dig_out2, blink);
//		printf("AnaIn: value=0x%x\n", EC_READ_U32(domain1_pd + off_dig_out2));
//    }
    // send process data
	ecrt_domain_queue(domain1);
	ecrt_domain_queue(domain2);
    ecrt_master_send(master);
}
 
/****************************************************************************/
 
void signal_handler(int signum) {
    switch (signum) {
        case SIGALRM:
            sig_alarms++;
            break;
    }
}
 
/****************************************************************************/
 
int main(int argc, char **argv)
{
    struct sigaction sa;
    struct itimerval tv;
 
    master = ecrt_request_master(0);
    if (!master)
        return -1;
 
    domain1 = ecrt_master_create_domain(master);
    if (!domain1)
        return -1;
	
	domain2 = ecrt_master_create_domain(master);
    if (!domain2)
        return -1;
 
#if CONFIGURE_PDOS
	if (!(sc = ecrt_master_slave_config(
						master, BusCouplerPos, TI_AM3359ICE))) {
			fprintf(stderr, "Failed to get slave configuration.\n");
			return -1;
		}
 
    if (ecrt_slave_config_pdos(sc, EC_END, slave_0_pdo_syncs)) {
        fprintf(stderr, "Failed to configure PDOs.\n");
        return -1;
    }
	printf("Configuring PDOs...\n");
					
    // Create configuration for bus coupler
	off_dig_out2 = ecrt_slave_config_reg_pdo_entry(sc,
			0x7010, 0, domain1, NULL);
		if (off_dig_out2 < 0)
			return -1;
	off_dig_in2 = ecrt_slave_config_reg_pdo_entry(sc,
			0x6000, 0, domain2, NULL);
		if (off_dig_in2 < 0)
			return -1; 
#endif
 
    printf("Activating master...\n");
    if (ecrt_master_activate(master))
        return -1;
 
    if (!(domain1_pd = ecrt_domain_data(domain1))) {
        return -1;
    }
	if (!(domain2_pd = ecrt_domain_data(domain2))) {
        return -1;
    }
 
	sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    if (sigaction(SIGALRM, &sa, 0)) {
        fprintf(stderr, "Failed to install signal handler!\n");
        return -1;
    }
 
    printf("Starting timer...\n");
    tv.it_interval.tv_sec = 0;
    tv.it_interval.tv_usec = 1000000 / FREQUENCY;
    tv.it_value.tv_sec = 0;
    tv.it_value.tv_usec = 2000;
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &tv, NULL)) {
        fprintf(stderr, "Failed to start timer: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
 
    printf("Started.\n");
    while (1) {
        pause();
        while (sig_alarms != user_alarms) {
            cyclic_task();
            user_alarms++;
        }
    }
    return 0;
}
 
/****************************************************************************/
 
/***********IGH demo编译*****************/
arm-linux-gnueabi-gcc main.c -o ethercat_test -I../../ethercat/include/ -L../..ethercat/lib -lethercat

IGH在Linux应用空间的其他使用

参考EtherCAT源码下的example。

git clone https://gitee.com/wllw7176/MyEthercat-IGH-1.5.2.git

 参考EtherCAT二次开发的源代码

其他资源

EtherCAT使用与解析-ethercat系统内核模块加载与初始化操作_ec_generic.ko-CSDN博客

https://www.cnblogs.com/wujingcqu/p/16295570.html

https://blog.51cto.com/u_15858333/6406909

IgH详解 一、概述-CSDN博客

EtherCAT设备协议详解二、EtherCAT状态机及配置流程-CSDN博客

在x86-64和arm64 Linux上调试IgH EtherCAT主站软件以及实现星形走线连接多从站 - 知乎

ethercatpack/mytest/test_ethercat.c · wllw7176_gitee/MyEthercat-IGH 1.5.2 - Gitee.com

https://pwl999.blog.csdn.net/article/details/109397917

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

开源工业以太网现场总线协议栈汇总_soes从站模拟器-CSDN博客

raspberry pi RT-Linux平台搭建IgH环境_一种用于igh的网络驱动系统及方法与流程-CSDN博客

EtherCAT主站IgH解析(一)--主站初始化、状态机与EtherCAT报文_igh ethercat-CSDN博客

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