EtherCAT主站开发经验——基于Zynq

1、整个方案的结构框架

2、PS层，即Zynq中的ARM处理器部分，加载了Xenomai/Rt-Preempt实时操作系统和KPA的EtherCAT主站源代码（EtherCAT Master Core）。Xenomai实时操作系统让整个通讯过程达到了us级别，而KPA的EtherCAT的主站源代码负责按照EtherCAT机制处理数据并打包给KPA NIC Driver（网卡驱动），KPA NIC Driver把打包好的数据通过AXI总线传给PL层中的IP core。

3、PL层，即Zynq中的FPGA硬件部分，加载了KPA的主站IPcore，该IPcore使用logic构建了两个NIC（MAC）+Timer，并封装在一起。KPA NIC 0/1通过AXI总线接收来自KPA NIC Driver的数据，并对数据进行重新排列，最终给到PHY，再通过变压器，RJ45把EtherCAT数据帧发出。KPA Timer提供时钟源用于同步KPA NIC Driver和KPA NIC 0/1，而如果设定了Shift Sending Frame时间（KPA主站IPcore特有的），那么KPA NIC Shift会对NIC发出数据的时间进行延迟，从而使得网卡发出数据帧的时间在最大抖动时间之后，以确保从出站网口发出的数据帧是精确定时的，并且包含完整的数据信息。一般选取从站响应时间的平均数作为参考的Shift Sending frame。

4、KPA NIC Driver和KPA NIC 0/1的作用对于整个EtherCAT主站的性能稳定性有着决定性的作用，从下面两幅图可以明显地看到，使用标准的NIC Driver和Zynq NIC时抖动超过了100%，而使用KPA NIC Driver和KPA NIC时抖动只有2.5%。由此可见，KPA对于网卡的驱动和NIC的优化使得Zynq运行EtherCAT主站时更加地稳定可靠。

5、下面再来看一组测试结果，采用的是Xilinx Zynq™-7000+Xenomai，运行时间为60分钟。共三组配置：

Configuration A: 2 slaves, no DC, no Mailbox, cyclic frame 60 bytes

Configuration B: 2 slaves, DC, no Mailbox, cyclic frame 60 bytes

Configuration C: 16 slaves (axis), 192 Bytes of Process Data, DC, cyclic frame 266 Bytes

解释：

第一行A：master requested cycle=62

因为从站的响应时间几乎接近主站的周期时间，所以可能导致上次的数据帧未返回，就要准备下次的数据发送，加上本身的系统时钟抖动，从而引发了更大的外部总线定时不稳。此类情况建议增大主站周期。

第三行A：master requested cycle=100

CPU负载31%即需要大概31微秒，从站最大响应时间57微秒。所以此时设置的主站周期时间就合理了，通过设置Shift sending time，正真从主站端口发出的数据帧几乎没有了抖动。

6、总结：采用Zynq的方案开发实施的EtherCAT主站有着更强大的处理能力和响应速度，同时减少主站自身的抖动，但开发难度相对较大。