周期抖动2μs！RK3576的IgH EtherCAT工业级主站方案很厉害
在工业自动化领域，如何在通用Linux系统上实现微秒级硬实时控制一直是机器人、多轴运动控制等高精度场景实现的关键挑战。开源的IgH EtherCAT Master协议栈以其优异的高实时性能和低抖动特性，成为连接工业现场总线和上层应用的核心桥梁。不过，要发挥其全部潜力，离不开Preempt-RT实时内核的强大加持。
本文将基于飞凌嵌入式OK3576-C开发板。通过1ms周期同步速度模式和125s周期同步扭矩模式的实测对比，展示系统如何在CPU隔离核心和满载压力下将通信抖动控制在微秒级，为您呈现完整的、可实施的高性能实时工业控制解决方案。
先说结论，性能很强！
周期同步速度模式，周期抖动由6.3080s降低为3.5790s；周期同步转矩模式，周期抖动由50.0470s降低为2.1130s！
1、IgH EtherCAT Master是什么？
在回答这个问题之前，我们先来看看什么是EtherCAT？ EtherCAT 是发展最快的工业以太网协议之一。它采用硬件驱动架构，具有速度快、传输数据量大、传输距离远、更新周期短、连接设备数量多等多重优点。
IgH EtherCAT则是运行于Linux系统的开源EtherCAT主站程序，IgH EtherCAT主站搭建Linux字符设备，应用程序通过访问字符设备实现与EtherCAT主站模块的通信。
主要包括以下三个部分：
1. Master Module
角色：EtherCAT主站的“大脑”和核心。
功能：负责管理EtherCAT总线通信，实现主站和从站之间的数据交换和同步。包含主站实例以及底层驱动和上层应用调用的接口。
2. Device Modules
角色：针对实时性能优化的“网卡驱动”（如Rockchip RK平台的stmmac）。
功能：作为主站与物理网口之间的桥梁。可智能分流：使用主站选择的设备来发送和接收EtherCAT帧；未选中的设备使用常规协议栈作为普通以太网设备，实现EtherCAT和普通网络的并行工作。
3. Application
角色：业务逻辑的执行者（用户编写或生成）。
功能：通过申请接口向主站申请总线控制权。一旦获得批准，就可以配置总线并进行循环过程数据交换。应用程序可以是内核模块，也可以是通过库(EtherCAT/RTDM) 调用的用户空间程序。
评论区留言【资料】，即可获得IgH EtherCAT Master官方源码及技术手册的下载方式。
2、实时内核Preempt-RT
1. 独具优势：
IgH EtherCAT Master 需要运行在实时操作系统上，以保证高实时性。 Preempt-RT 是针对实时性能进行优化的Linux 内核。与普通Linux内核相比，Preempt-RT具有明显的优势：
硬实时保障：具有硬实时能力，可以保证关键任务在严格规定的时限内完成，不受其他任务干扰，满足工业自动化、航空航天等极高时间精度场景的需求。
高效调度与低延迟：采用基于优先级的抢占式调度算法，高优先级任务可以立即抢占低优先级任务；同时，对中断处理机制进行深度优化，大大缩短响应时间，消除系统抖动。
高精度定时：提供微秒级的核心定时器精度，配合实时扩展机制，支持用户定制核心，精确满足EtherCAT通信的周期性数据交换需求。
2. 实时性测试
本测试参考Rockchip RealTime Linux性能测试报告，分为空载测试和压力测试。测试环境如下：
工具：循环测试
硬件平台：OK3576-C开发板
内核版本：6.1.118-rt36
路径：SDK/docs/rk35xx/Patches/Real-Time-Performance/PREEMPT_RT/kernel-6.1/kernel-6.1.118
一个。配置Preempt-RT内核请参考用户资料：/1-Manual/OK35xx-Linux6.1.118-配置实时内核方法.pdf
b.不同硬件平台的实时测试结果请参考用户资料：/1-manual/OK35xx-Linux6.1.118-real-time test.pdf
空载测试：
循环测试-c 0 -m -t 8 -p99 -D12H
参数介绍：
-c 0：选择时钟源为CLOCK_MONOTONIC -m：锁定内存，防止内存页被交换到磁盘-t 8：创建8个测试线程-p 99：设置线程优先级为99 -D 12h：设置测试时长为12h 
压力测试：
压力-ng -c8 --io 8 --cpu-load 100 -vm 4 --vm-bytes 512M --超时10000000s
参数介绍：
-c 8：模拟8个CPU逻辑核满载运行--io 8：模拟磁盘I/O压力--cpu-load 100：设置CPU目标负载为100% --vm 4 --vm-bytes 512M：模拟内存压力--timeout 10000000s：设置测试时长为10000000秒
3、演示案例
本节演示选择周期同步速度模式（通讯周期为1ms）和周期同步扭矩模式（通讯周期为125s）驱动伺服电机旋转。
1. 环境介绍
开发环境：内核：6.1.118-rt36IgH EtherCAT 主站：IgH EtherCAT 主站1.6.0-rc1EtherCAT 主站：OK3576-CEtherCAT 从站： (1) EtherCAT 耦合器EK1100 (2) 数字量输出模块EL2008 (3) 伺服驱动器IS620NS1R6I+伺服电机MS1H1-10B30CB A330Z
拓扑结构图：
主站通过网线与EtherCAT耦合器EK1100连接。 EK1100通过E-Bus连接数字量输出模块EL2008，通过网线连接伺服驱动器IS620N。交流伺服电机MS1H1-10B30CB通过电源线和编码线与伺服驱动器IS620N连接。
使用EtherCat调试工具输出识别的从站：
使用EtherCat调试工具输出总线拓扑：
2. 伺服模式
IS620N支持7种伺服模式，分别为Profile位置模式（PP）、Profile速度模式（PV）、Profile扭矩模式（PT）、回零模式（HM）、周期同步位置模式（CSP）、周期同步速度模式（CSV）、周期同步扭矩模式（CST）。
不同模式支持不同的通信周期，如下图：
3. 主站性能测试方法
参考以下定义：抖动和延迟的定义
参考官方示例代码：
示例/dc_user/main.c · stable-1.5 · EtherLab/EtherCAT Master · GitLab
有一个通信周期的最大和最小成本的统计。以1s为周期打印该区间内EtherCAT通讯周期时间的最大值和最小值。
演示一：周期同步速度模式(1ms)
周期同步速度模式下，上位控制器周期性同步地将计算出的目标速度60FF发送给伺服驱动器，速度和扭矩调整由伺服内部进行。
基本配置：
使用EtherCat调试工具输出pdo信息：
操作步骤：步骤1：设置模式，OD 6060h=09h，循环同步速度模式。
步骤2：设置目标速度，OD 60FFh=0。由于在速度模式下，一旦切换到Servo On（步骤3），伺服电机就会开始运行，所以设置0是为了保证在Servo On期间保持0rpm而不运行。
步骤3：设置控制命令OD 6040h，请按照以下步骤操作。步骤3.1和3.2是将驱动器的状态机置于就绪状态。
第4步：设置目标速度OD 60FFh。
性能指标： 压力测试（6小时）
压力-c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --超时1000000s
./igh_ethercat_motor_csv
隔离测试+隔离芯（6h）
压力-c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --超时1000000s
任务集-c 7 ./igh_ethercat_motor_csv
演示二：周期同步转矩模式(125s)该模式下，上位控制器周期性同步将计算出的目标扭矩6071h 发送至伺服驱动器，由伺服内部进行扭矩调整。当速度达到极限值时，进入调速阶段。
基本配置：
使用EtherCat调试工具输出pdo信息：
操作步骤：步骤1：设置模式，OD 6060h=0Ah，周期同步扭矩模式。
步骤2：设置目标扭矩，OD 6071h=0。由于在扭矩模式下，一旦切换到Servo On（步骤3），伺服目标扭矩就会生效，所以先将其设置为0以确保安全。
步骤3：设置控制命令OD 6040h，请按照以下步骤操作。步骤3.1和3.2是将驱动器的状态机置于就绪状态。
第4 步：设置目标扭矩OD 6071h。
性能指标： 压力测试（6小时）
压力-c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --超时1000000s
./igh_ethercat_motor_cst
压力测试+隔离核心（6h）
压力-c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --超时1000000s
任务集-c 7 ./igh_ethercat_motor_cst
上述测试消除了未及时恢复的数据帧的统计周期样本。当运行125s的周期时，未及时恢复的帧会变得更加频繁。
在两个演示的性能测试中，应用程序都采用了FIFO调度+内存锁定；采用隔离核心策略，可以降低系统的周期抖动。
周期同步速度模式，周期抖动由6.3080s降低为3.5790s。周期同步转矩模式，周期抖动由50.0470s降低为2.1130s。方案展示：
