瑞芯微RK3576 +Preempt-RT實(shí)測(cè)，EtherCAT抖動(dòng)低至2.113μs
飛凌嵌入式
2026-01-26 15:25:00
RK3576
rk3576開(kāi)發(fā)板
Preempt
RT
EtherCAT
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，如何在通用Linux系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的硬實(shí)時(shí)控制，一直是機(jī)器人、多軸運(yùn)動(dòng)控制等高精度場(chǎng)景落地的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。開(kāi)源的IgH EtherCAT Master協(xié)議棧，憑借其卓越的高實(shí)時(shí)性與低抖動(dòng)特性，成為了連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與上層應(yīng)用的核心橋梁。然而，要釋放其全部潛能，離不開(kāi)Preempt-RT實(shí)時(shí)內(nèi)核的強(qiáng)力加持。
本文將基于飛凌嵌入式OK3576-C開(kāi)發(fā)板，通過(guò)1ms周期同步速度模式與125μs周期同步轉(zhuǎn)矩模式的實(shí)測(cè)對(duì)比，展示在CPU隔離核與滿(mǎn)負(fù)載壓力下，系統(tǒng)如何將通訊抖動(dòng)控制在微秒級(jí)，為您呈現(xiàn)一套可落地的高性能實(shí)時(shí)工業(yè)控制完整方案。
實(shí)測(cè)性能表現(xiàn)
周期抖動(dòng)由6.3080μs降低為3.5790μs
周期抖動(dòng)由50.0470μs降低為2.1130μs
IgH EtherCAT Master是什么？
EtherCAT工作原理示意圖
IgH EtherCAT則是運(yùn)行于Linux系統(tǒng)的開(kāi)源EtherCAT主站程序，IgH EtherCAT主站通過(guò)構(gòu)建Linux字符設(shè)備，應(yīng)用程序通過(guò)對(duì)字符設(shè)備的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)與EtherCAT主站模塊的通信。
它主要包括以下三部分：
1. Master Module
角色：EtherCAT 主站的"大腦"和內(nèi)核。
功能：負(fù)責(zé)管理 EtherCAT 總線通信，實(shí)現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)交換與同步。它包含主站實(shí)例及供底層驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用調(diào)用的接口。
2. Device Modules
角色：經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)化的"網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)"（如瑞芯微RK平臺(tái)的 stmmac）。
功能：作為主站與物理網(wǎng)口的橋梁。它能智能分流：被主站選中的設(shè)備用于收發(fā) EtherCAT 幀；未被選中的設(shè)備則作為普通以太網(wǎng)設(shè)備走常規(guī)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn) EtherCAT 與普通網(wǎng)絡(luò)的并行工作。
3. Application
角色：業(yè)務(wù)邏輯的執(zhí)行者（用戶(hù)編寫(xiě)或生成）。
功能：通過(guò)應(yīng)用接口向主站申請(qǐng)總線控制權(quán)。一旦獲準(zhǔn)，即可配置總線并進(jìn)行周期性的過(guò)程數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用程序既可以是內(nèi)核模塊，也可以是通過(guò)庫(kù)（EtherCAT/RTDM）調(diào)用的用戶(hù)空間程序。
應(yīng)用層架構(gòu)示意圖
重要資源：點(diǎn)擊左側(cè)在線，即可獲得IgH EtherCAT Master官方源碼及技術(shù)手冊(cè)的下載方式。
實(shí)時(shí)內(nèi)核Preempt-RT
1. 獨(dú)具優(yōu)勢(shì)：
IgH EtherCAT Master要保證高實(shí)時(shí)性，需要在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上運(yùn)行。Preempt-RT是一種針對(duì)實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了優(yōu)化的Linux內(nèi)核，與普通的Linux內(nèi)核相比，Preempt-RT的優(yōu)勢(shì)很明顯：
- 硬實(shí)時(shí)保障：具備硬實(shí)時(shí)能力，能確保關(guān)鍵任務(wù)在嚴(yán)格規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成，不受其他任務(wù)干擾，滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等對(duì)時(shí)間精度極高的場(chǎng)景需求。
- 高效調(diào)度與低延遲：采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可立即搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)；同時(shí)深度優(yōu)化中斷處理機(jī)制，大幅縮短響應(yīng)時(shí)間，消除系統(tǒng)抖動(dòng)。
- 高精度定時(shí)：提供微秒級(jí)的內(nèi)核定時(shí)器精度，配合實(shí)時(shí)擴(kuò)展機(jī)制，支持用戶(hù)對(duì)內(nèi)核進(jìn)行定制，精準(zhǔn)滿(mǎn)足EtherCAT通信的周期性數(shù)據(jù)交換需求。
2. 實(shí)時(shí)性測(cè)試
本次測(cè)試參考Rockchip RealTime Linux Performance Test Report，分為空載測(cè)試和壓力測(cè)試。測(cè)試的環(huán)境如下：
- 工具：cyclictest
- 硬件平臺(tái)：OK3576-C開(kāi)發(fā)板
- 內(nèi)核版本：6.1.118-rt36
- Path：SDK/docs/rk35xx/Patches/Real-Time-Performance/PREEMPT_RT/kernel-6.1/kernel-6.1.118
a. 配置Preempt-RT內(nèi)核，可以參考用戶(hù)資料：/1-手冊(cè)/OK35xx-Linux6.1.118-配置實(shí)時(shí)內(nèi)核方法.pdf
b. 不同硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果，可以參考用戶(hù)資料：/1-手冊(cè)/OK35xx-Linux6.1.118-實(shí)時(shí)性測(cè)試.pdf
空載測(cè)試：
參數(shù)介紹：
- -c 0：選擇時(shí)鐘源為CLOCK_MONOTONIC
- -m：鎖定內(nèi)存，防止內(nèi)存頁(yè)交換到磁盤(pán)
- -t 8：創(chuàng)建8個(gè)測(cè)試線程
- -p 99：設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)為99
- -D 12h：設(shè)置測(cè)試持續(xù)時(shí)間為12h
空載測(cè)試結(jié)果示意圖
壓力測(cè)試：
參數(shù)介紹：
- -c 8：模擬8個(gè)CPU邏輯核心滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行
- --io 8：模擬磁盤(pán)I/O壓力
- --cpu-load 100：設(shè)定 CPU 的目標(biāo)負(fù)載為 100%
- -vm 4 --vm-bytes 512M：模擬內(nèi)存壓力
- --timeout 10000000s：設(shè)置測(cè)試持續(xù)時(shí)間為10000000秒
壓力測(cè)試結(jié)果示意圖
演示案例
本節(jié)的演示選取周期同步速度模式（通訊周期時(shí)間為1ms）與周期同步轉(zhuǎn)矩模式（通訊周期時(shí)間為125μs）驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
1. 環(huán)境介紹
- Kernel：6.1.118-rt36
- IgH EtherCAT Master：IgH EtherCAT master 1.6.0-rc1
- EtherCAT主站：OK3576-C
-
EtherCAT從站：
- （1）EtherCAT耦合器EK1100
- （2）數(shù)字量輸出模塊EL2008
- （3）伺服驅(qū)動(dòng)器IS620NS1R6I + 伺服電機(jī)MS1H1-10B30CB A330Z
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖：
系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
主站通過(guò)網(wǎng)線連接EtherCAT耦合器EK1100，EK1100通過(guò)E-Bus連接數(shù)字量輸出模塊EL2008、通過(guò)網(wǎng)線連接伺服驅(qū)動(dòng)器IS620N，交流伺服電機(jī)MS1H1-10B30CB通過(guò)動(dòng)力線和編碼線與伺服驅(qū)動(dòng)器IS620N相連。
使用EtherCat調(diào)試工具輸出識(shí)別到的從站：
從站識(shí)別
使用EtherCat調(diào)試工具輸出總線拓?fù)洌?
總線拓?fù)?/em>
2. 伺服模式
IS620N 支持 7 種伺服模式，分別為輪廓位置模式（PP）、輪廓速度模式（PV）、輪廓轉(zhuǎn)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）、周期同步轉(zhuǎn)矩模式（CST）。
不同模式支持的通訊周期不同，如下所示：
伺服模式通訊周期表
3. 主站性能測(cè)試方法
抖動(dòng)和延遲定義
參考官方示例代碼：examples/dc_user/main.c · stable-1.5 · EtherLab / EtherCAT Master · GitLab
里面有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)一個(gè)通訊周期的所花費(fèi)的最大值和最小值。以1s為周期循環(huán)打印該區(qū)間EtherCAT通訊周期時(shí)間的最大值和最小值。
代碼示意圖
演示一：周期同步速度模式(1ms)
周期同步速度模式下，上位控制器將計(jì)算好的目標(biāo)速度 60FF 周期性同步發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，速度、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)由伺服內(nèi)部執(zhí)行。
基本配置：
周期同步速度模式基本配置
使用EtherCat調(diào)試工具輸出的pdo信息：
周期同步速度模式PDO信息
操作步驟：
步驟1：設(shè)定模式，OD 6060h = 09h，周期同步速度模式。
步驟2：設(shè)定目標(biāo)速度，OD 60FFh = 0。由于速度模式下，一旦切至 Servo On (步驟 3)，伺服電機(jī)就會(huì)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，因此設(shè)定 0 是確保在 Servo On 時(shí)先保持 0 rpm 而不作動(dòng)。
步驟3：設(shè)定控制指令 OD 6040h，請(qǐng)依照以下步驟操作。步驟 3.1 與 3.2 是為了使驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)機(jī) (state machine) 進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。
控制指令設(shè)置步驟
步驟4：設(shè)定目標(biāo)速度 OD 60FFh。
性能指標(biāo)：
① 壓力測(cè)試
./igh_ethercat_motor_csv
壓力測(cè)試結(jié)果
② 隔離測(cè)試+隔離核
taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_csv
隔離測(cè)試結(jié)果
演示二：周期同步轉(zhuǎn)矩模式(125μs)
此模式下，上位控制器將計(jì)算好的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩 6071h 周期性同步的發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)由伺服內(nèi)部執(zhí)行。當(dāng)速度達(dá)到限幅值后將進(jìn)入調(diào)速階段。
基本配置：
周期同步轉(zhuǎn)矩模式基本配置
使用EtherCat調(diào)試工具輸出的pdo信息：
周期同步轉(zhuǎn)矩模式PDO信息
操作步驟：
步驟1：設(shè)定模式，OD 6060h = 0Ah，周期同步轉(zhuǎn)矩模式。
步驟2：設(shè)定目標(biāo)扭矩，OD 6071h = 0。由于扭矩模式下，一旦切至Servo On (步驟 3)，伺服目標(biāo)扭矩即作用，因此先設(shè)定 0，以確保安全。
步驟3：設(shè)定控制指令，OD 6040h，請(qǐng)依照以下步驟操作。步驟 3.1 與 3.2 是為了使驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)機(jī) (state machine) 進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。
轉(zhuǎn)矩模式控制指令設(shè)置
步驟4：設(shè)定目標(biāo)扭矩 OD 6071h。
性能指標(biāo)：
① 壓力測(cè)試
./igh_ethercat_motor_cst
轉(zhuǎn)矩模式壓力測(cè)試結(jié)果
② 壓力測(cè)試+隔離核
taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_cst
轉(zhuǎn)矩模式隔離測(cè)試結(jié)果
測(cè)試說(shuō)明：以上測(cè)試對(duì)未及時(shí)收回來(lái)的數(shù)據(jù)幀時(shí)統(tǒng)計(jì)的周期樣本進(jìn)行剔除，在跑125μs周期，幀未及時(shí)收回來(lái)的情況會(huì)更加頻繁。
兩種演示的性能測(cè)試，應(yīng)用程序都采用FIFO調(diào)度+內(nèi)存鎖定；在采取隔離核策略時(shí)，系統(tǒng)的周期抖動(dòng)降低。
周期同步速度模式，周期抖動(dòng)由6.3080μs降低為3.5790μs。
周期同步轉(zhuǎn)矩模式，周期抖動(dòng)由50.0470μs降低為2.1130μs。
方案展示：
完整方案展示
完整的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)
飛凌嵌入式提供從硬件到軟件的全棧解決方案，確保您的工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目快速落地
實(shí)時(shí)內(nèi)核優(yōu)化
深度優(yōu)化的Preempt-RT實(shí)時(shí)內(nèi)核，確保微秒級(jí)硬實(shí)時(shí)性能，滿(mǎn)足高精度運(yùn)動(dòng)控制需求
技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)
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提供完整的BSP、驅(qū)動(dòng)、示例代碼和技術(shù)文檔，大幅縮短開(kāi)發(fā)周期
以上就是基于飛凌嵌入式RK3576開(kāi)發(fā)板的Preempt-RT+IgH EtherCAT Master演示案例，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?
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