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系统上实现微秒级的硬实时控制，一直是机器人、多轴运动控制等高精度场景落地的关键挑战。开源的IgH EtherCAT Master协议栈，凭借其卓越的高实时性与低抖动特性，成为了连接工业现场总线与上层应用的核心桥梁。然而，要释放其全部潜能，离不开Preempt-RT实时内核的强力加持。

本文将基于飞凌嵌入式OK3576-C开发板，通过1ms周期同步速度模式与125μs周期同步转矩模式的实测对比，展示在CPU隔离核与满负载压力下，系统如何将通讯抖动控制在微秒级，为您呈现一套可落地的高性能实时工业控制完整方案。

先说结论，表现很强悍！

周期同步速度模式，周期抖动由6.3080μs降低为3.5790μs；

周期同步转矩模式，周期抖动由50.0470μs降低为2.1130μs！

1、IgH EtherCAT Master是什么？

在解答这个问题之前，先来看一下什么是EtherCAT ？EtherCAT是发展最快的工业以太网协议之一，采用硬件驱动型架构，具有速度快、传输数据量大、传输距离长、更新周期小、连接设备数量多等多重优势。

IgH EtherCAT则是运行于Linux系统的开源EtherCAT主站程序，IgH EtherCAT主站通过构建Linux字符设备，应用程序通过对字符设备的访问实现与EtherCAT主站模块的通信。

它主要包括以下三部分：

1. Master Module

角色：EtherCAT 主站的“大脑”和内核。

功能：负责管理 EtherCAT 总线通信，实现主站与从站间的数据交换与同步。它包含主站实例及供底层驱动和上层应用调用的接口。

2. Device Modules

角色：经过实时性优化的“网卡驱动”（如瑞芯微RK平台的 stmmac）。

功能：作为主站与物理网口的桥梁。它能智能分流：被主站选中的设备用于收发 EtherCAT 帧；未被选中的设备则作为普通以太网设备走常规协议栈，实现 EtherCAT 与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：通过应用接口向主站申请总线控制权。一旦获准，即可配置总线并进行周期性的过程数据交换。应用程序既可以是内核模块，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要保证高实时性，需要在实时操作系统上运行。Preempt-RT是一种针对实时性能进行了优化的Linux内核，与普通的Linux内核相比，Preempt-RT的优势很明显：

① 硬实时保障：

具备硬实时能力，能确保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、航空航天等对时间精度极高的场景需求。

② 高效调度与低延迟：

采用基于优先级的抢占式调度算法，高优先级任务可立即抢占低优先级任务；同时深度优化中断处理机制，大幅缩短响应时间，消除系统抖动。

③ 高精度定时：

提供微秒级的内核定时器精度，配合实时扩展机制，支持用户对内核进行定制，精准满足EtherCAT通信的周期性数据交换需求。

2. 实时性测试

本次测试参考Rockchip RealTime Linux Performance Test Report，分为空载测试和压力测试。测试的环境如下：

① 工具：cyclictest

② 硬件平台：OK3576-C开发板

③ 内核版本：6.1.118-rt36

④ Path：SDK/docs/rk35xx/Patches/Real-Time-Performance/PREEMPT_RT/kernel-6.1/kernel-6.1.118

a. 配置Preempt-RT内核，可以参考用户资料：/1-手册/OK35xx-Linux6.1.118-配置实时内核方法.pdf

b. 不同硬件平台的实时性测试结果，可以参考用户资料：/1-手册/OK35xx-Linux6.1.118-实时性测试.pdf

空载测试：

cyclictest -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，防止内存页交换到磁盘
• -t 8：创建8个测试线程
• -p 99：设置线程的优先级为99
• -D 12h：设置测试持续时间为12h

压力测试：

stress-ng -c8 --io 8 --cpu-load 100 -vm 4 --vm-bytes 512M --timeout 10000000s &

参数介绍：

• -c 8：模拟8个CPU逻辑核心满负荷运行
• --io 8：模拟磁盘I/O压力
• --cpu-load 100：设定 CPU 的目标负载为 100%
• --vm 4 --vm-bytes 512M：模拟内存压力
• --timeout 10000000s：设置测试持续时间为10000000秒

3、演示案例

本节的演示选取周期同步速度模式（通讯周期时间为1ms）与周期同步转矩模式（通讯周期时间为125μs）驱动伺服电机转动。

1. 环境介绍

开发环境：

• Kernel：6.1.118-rt36
• IgH EtherCAT Master：IgH EtherCAT master 1.6.0-rc1
• EtherCAT主站：OK3576-C
• EtherCAT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：

主站通过网线连接EtherCAT耦合器EK1100，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通过动力线和编码线与伺服驱动器IS620N相连。

使用EtherCat调试工具输出识别到的从站：

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，分别为轮廓位置模式（PP）、轮廓速度模式（PV）、轮廓转矩模式（PT）、回零模式（HM）、周期同步位置模式（CSP）、周期同步速度模式（CSV）、周期同步转矩模式（CST）。

不同模式支持的通讯周期不同，如下所示：

3. 主站性能测试方法

以下定义参考：Definitions of Jitter and Latency

参考官方示例代码：

examples/dc_user/main.c · stable-1.5 · EtherLab / EtherCAT Master · GitLab

里面有实现统计一个通讯周期的所花费的最大值和最小值。以1s为周期循环打印该区间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，上位控制器将计算好的目标速度 60FF 周期性同步发送给伺服驱动器，速度、转矩调节由伺服内部执行。

基本配置：

使用EtherCat调试工具输出的pdo信息：

操作步骤：

步骤1：设定模式，OD 6060h = 09h，周期同步速度模式。

步骤2：设定目标速度，OD 60FFh = 0。由于速度模式下，一旦切至 Servo On (步骤 3)，伺服电机就会开始运转，因此设定 0 是确保在 Servo On 时先保持 0 rpm 而不作动。

步骤3：设定控制指令 OD 6040h，请依照以下步骤操作。步骤 3.1 与 3.2 是为了使驱动器的状态机 (state machine) 进入准备状态。

步骤4：设定目标速度 OD 60FFh。

性能指标：

① 压力测试（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s&

./igh_ethercat_motor_csv

② 隔离测试+隔离核（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s &

taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_csv

演示二：周期同步转矩模式(125μs)

此模式下，上位控制器将计算好的目标转矩 6071h 周期性同步的发送给伺服驱动器，转矩调节由伺服内部执行。当速度达到限幅值后将进入调速阶段。

基本配置：

使用EtherCat调试工具输出的pdo信息：

操作步骤：

步骤1：设定模式，OD 6060h = 0Ah，周期同步转矩模式。

步骤2：设定目标扭矩，OD 6071h = 0。由于扭矩模式下，一旦切至Servo On (步骤 3)，伺服目标扭矩即作用，因此先设定 0，以确保安全。

步骤3：设定控制指令，OD 6040h，请依照以下步骤操作。步骤 3.1 与 3.2 是为了使驱动器的状态机 (state machine) 进入准备状态。

步骤4：设定目标扭矩 OD 6071h。

性能指标：

① 压力测试（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s&

./igh_ethercat_motor_cst

② 压力测试+隔离核（6h）

stress -c 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 256M --timeout 1000000s &

taskset -c 7 ./igh_ethercat_motor_cst

以上测试对未及时收回来的数据帧时统计的周期样本进行剔除，在跑125μs周期，帧未及时收回来的情况会更加频繁。

两种演示的性能测试，应用程序都采用FIFO调度+内存锁定；在采取隔离核策略时，系统的周期抖动降低。

• 周期同步速度模式，周期抖动由6.3080μs降低为3.5790μs。
• 周期同步转矩模式，周期抖动由50.0470μs降低为2.1130μs。

方案展示：