EtherCAT-4 主站SOEM

tianya_xuan

于 2025-01-10 11:06:31 发布

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文章标签： linux c语言

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参考：EtherCAT主站——SOEM(学习笔记1)-EtherCAT主站——SOEM(学习笔记1)-优快云博客

SOEM 库架构分析

SOEM 是 Simple Open EtherCAT Master Library 的缩写，是瑞典 rt-lab 提供的一个开源 EtherCAT 主站协议库。 SOEM 库使用 C 语言编写，可以在 windows 以及 Linux 平台上运行，并也可以方便地移植到嵌入式平台上。

SOEM 支持 CoE ， SoE ， FoE 以及分布式时钟。 SOEM 直接将 EtherCAT 帧通过 MAC 发送和接收，因此它不支持 EoE 。 SOEM 库由若干模块组成，最底层提供硬件和操作系统抽象层，从而可以方便地将 SOEM 库移植到不同的系统平台上。

SOEM 库架构如图所示：

SOEM 库采用分层设计，并且提供了一个抽象层，将 SOEM 协议栈与具体操作系统和硬件分开，使得 SOEM 在理论上可以移植到任意操作系统和硬件平台之上。

抽象层由 OSAL 和 OSHW 两个模块组成，OSAL 是操作系统抽象层，OSHW 是硬件抽象层，移植的主要内容就是对 OSAL 和 OSHW 具体 API 实现，在新的操作系统和硬件平台上的重写。注意，SOEM 可以不需要 OS 操作系统，直接与时间和定时器相关的 API 是必须实现的。

1、操作系统抽象层

主要是用于符合OSADL和实时进程创建。也就是说：发送EtherCAT数据包不能抖动太大，如果直接使用linux提供的原生线程，可能实时性无法满足。需要对Linux内核打上实时补丁，我们采用PREEMPT_RT。

注1：OSADL（Open Source Automation Development Lab）：这是一个开源自动化开发实验室相关的组织或标准框架。在自动化系统中，特别是像工业控制这样的场景，对实时性要求很高。OSADL 的标准规定了如何创建和管理实时进程，以确保系统能够在精确的时间间隔内响应事件。

注2：PREEMPT_RT 是一种对 Linux 内核进行修改的实时补丁。它改变了 Linux 内核的调度方式，使得内核能够更好地支持实时进程。通过采用这种补丁，系统能够更及时地响应实时任务的请求，减少任务调度的延迟，从而降低 EtherCAT 数据包发送时间的抖动。具体来说，这个补丁可以使操作系统在运行时优先处理实时任务，将非实时任务暂时挂起，确保实时任务（如发送 EtherCAT 数据包）能够按照精确的时间要求执行。

2、硬件抽象层

硬件抽象层即OSHW 模块，网卡的接口封装，不同操作系统对网卡操作不一样，linux下我们要求网卡支持混杂模式。它为上层提供网络服务，是最重要的实现。 SOEM 移植的核心工作就是对此模块的移植，后文会详细介绍具体的实现。

OSHW 模块由 oshw.h/oshw.c 和 nicdrv.h/nicdrv.c 四个文件组成。 oshw.h/.c 主要实现网络小端和本地大小端的转换，nicdrv.h/.c 是网络驱动，主要实现 EtherCAT 帧的发送和接收， SOEM 的移植主要是对网络驱动的实现。 oshw.h/.c 主要提供字节顺序转换的服务。数据在网络上传输时，总是先传输高位比特，然后传低位比特。所以，网络采用的是大端方式。而具体一个硬件平台，可能采用大端也可能是小端。

不同平台上 nicdrv 模块的逻辑结构基本相同，需要实现的是三个底层 API ：

1) 网口的初始化

2）MAC 层帧发送

3）MAC 层帧接收

3、中间层

抽象层之上的模块（除了应用层）属于 SOEM 的中间层，是 EtherCAT 协议栈的具体实现，包含 BASE 模块、 MAIN 模块、 CONFIG 模块、 CONFIGDC 模块、COE 等。

注1：

COE、SOE、EOE、FOE都是一种基于邮箱的协议，分别基于EtherCAT来兼容。

COE

全称：CANopen over EtherCAT。该协议是一个具有开放性的标准应用层协议。其中CANopen协议是基于CAN协议的链路层上实现的。EtherCAT协议在应用层支持CANopen协议，因此支持CANopen协议的从站可以被运用在EtherCAT协议上。

SOE

全称：Servo Drive over EtherCAT。SERCOS是世界首个应用于伺服控制的协议。EtherCAT协议在应用层接口上兼容了这个协议，简称为SOE。SERCOS应用层协议为主站设计了信息接口，可以通过配置EtherCAT过程数据报文，实现周期性传递伺服驱动器的数据。