虹科干货 | 虹科KPA EtherCAT主站软件在Xilinx ZYNQ UltraScale+上移植测试

虹科KPA EtherCAT主站是一款协议栈产品，能够使用户快速利用EtherCAT技术的所有好处，例如实时操作、极短的循环时间、以及最低成本的最高性能。该协议栈的先进架构专注于可移植到不同的操作系统，可适配到各种硬件平台、并且可通过基础（Class B）、标准（Class A）和超值包进行缩放。本篇文章将介绍虹科KPA EtherCAT主站软件如何基于Xilinx ZYNQ UltraScale+做移植测试。

# Description

开发环境

#硬件开发板：Xilinx HW-Z1-ZCU102 revision1.1

#EtherCAT主站软件开发包：

MDK_xilinx-2018.3_freertos_a53_trial_v2.4.48714.0-release.zip

HW_SAMPLE_xilinx-2018.3_freertos_a53_trial_v2.4.48714.0-release.zip

备注：由于前期软件开发包是基于revision1.0的硬件以及vivado2018.3移植测试的，导致该软件包在vivado2018.3和新版本硬件移植测试出现问题，具体问题是制作完boot.bin后，上电没法启动运行；查了一下xilinx官网，说是新版本硬件需要使用vivado2019.1及其以上版本，后来在vivado 2019.1重新创建IPcore硬件工程，工程文件是zcu102_freeRTOS，重新生成bit文件(zcu102_freertos\project_1\project_1.sdk\design_1_wrapper_hw_platform_0)和fsbl.elf文件(zcu102_freertos\project_1\project_1.sdk\fsbl\Release)覆盖软件包原路径(\\externals\boot)的bit文件和fsbl.elf，问题解决；

Step1 软件安装

1. 安装KPA studio软件，Studio_v1.12.417.0_x86.zip；2. 安装基于windows的主站插件，MRT_WIN32_TRIAL_v1.6.44171.0.msi；3. 安装cmake环境，可到cmake官网下载exe安装，安装后查询到cmake版本如下：参考《KPA Studio简易操作手册.pdf》使用EtherCAT配置软件，导出网络配置文件/ENI文件，可命名为master.xml或者其他名字，需与mkpa_config.h中命名保持一致，导出的ENI文件，格式一定要选择null-terminated格式。

Step2 软件编译

MDK_xilinx-2018.3_freertos_a53_trial_v2.4.48714.0-release.zip解压到mdk_a53文件夹下

进入\mdk_a53\samples路径下修改对应样例程序，此处每个不同的样例程序包含不同的API，具有不同的功能，此处以24_DriveRotationCiA402为例，这是一个简单运行单轴伺服的样例程序，为了适配迈信伺服驱动器，需保持C文件中的描述和ENI文件描述一致，修改后保存

进入\mdk_a53下，打开build.bat，修改编译器路径，路径是xilinx SDK安装路径

运行cmd，进入该路径下，运行build.bat,编译所有样例代码，包括编译24样例，在\build\samples路径下生成24_DriveRotationCiA402.elf文件

Step3 创建和运行boot.bin

进入mdk_a53\externals\boot路径，根据readme文件以及24_DriveRotationCiA402.bif文件；

拷贝zcu102_freeRTOS内vivado工程生成的design_1_wrapper.bit()文件到该路径下,覆盖原来bit文件；

zcu102_freertos\project_1\project_1.sdk\fsbl\Release下的fsbl.elf拷贝到该路径下，覆盖原来fsbl.elf文件；

拷贝\build\samples路径下生成的24_DriveRotationCiA402.elf到该路径下；

拷贝生成的ENI文件（master.xml）文件到该路径下

打开Xilinx XSCT tool进入到\externals\boot路径下，生成boot.bin

将boot.bin文件拷贝到SD卡中，设置开发板SD卡启动，上电运行

Step4 性能测试

一般情况下EtherCAT主站性能测试会关注主站通讯周期，circle time是否稳定，抖动多少，因此可以设置在不同的circle time，比如2ms，1ms，500us，250us，125us等条件下测试抖动，可以采用第三方的抓包工具+wireshark进行报文分析，不同主站周期，需要修改代码以及ENI文件的circle time，此处以1ms主站周期，邮箱任务周期是5ms（主站周期的5倍）抓包方式，主站和从站直接接入第三方的抓包工具，连接方式如下示意图，可以先运行主站，待主从通讯稳定后，再进行数据抓包，这样抓出来的数据包就是pdo数据/过程数据，也可以主站启动前，开始抓包，这样就可以把整个启动过程的数据抓取出来，但是过滤时，op前的报文数据就不是我们需要分析的数据了。

对Wireshark数据包进行针对性分析，设置时间显示格式如下：

使用ecat.ado == 0x130命令，过滤出从站在第几条报文处进入op状态的，这里是33900，意味着33900前的报文不能用于分析circle time，因为pdo数据/周期性数据只在从站进入op后才被发送分析周期性报文，注意到每个周期性报文包含三个子报文(逻辑寻址)以及一个DC相关的ARMW命令过滤出周期性报文，使用该指令ecat.sub1.cmd == LRD && ecat.sub1.cnt == 0，过滤出子报文1为LRD且计算器值为0（表示从主站发出，未经过从站）的周期性报文，选择三角进行报文排序，可以是从小到大，或者从大到小最小周期是999.496us

最大周期1000.536us

结论：可以看出1ms主站周期下，基于zcu102开发板，测试出来的主站周期的抖动是ns级别，实际在500us和250us，125us条件下，抖动都是在ns级别。