基于龙芯3A5000的全国产化EtherCAT主站控制器设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2025）08-0016-05

Abstract：This paper introduces the design technical scheme of building a fully domestic master station controler from hardware to software basedonLoongson 3A50o0 procesor.BasedonLoongArch architecture，Xenomai 4real-time kemel transplantationandperformancetestarecariedout.TheIGHEtherCATmasterstationarchitectureand master-slavestationtest environmentarebuilttoverifythereal-timeperformanceofEtherCATmasterstationunderLoongArcharchitecture.Through comparisonanddataanalysis，thefeasibilityoftheapplicationofLoongsonarchitectureinindustrialreal-timecontroleris proved，and the design of self-controllableand fully domestic EtherCAT master station is fnally completed.

Keywords：localization; Loongson;LoongArch architecture;EtherCAT master station

0引言

随着工业自动化的快速发展，工业控制系统愈发庞大复杂。特别是工业以太网、机器视觉、大数据模型的应用，对工业主控器的功能和性能提出了越来越高的要求。在确保实现高速、精准、稳定控制的同时，对算力、实时性、扩展性也有了更高需求。基于小型嵌入式系统的PLC已无法满足主机需求，因此基于PC-Base的主机方案得以迅速发展，有望成为未来工业控制的一大趋势。然而，这一技术长期被国外几大厂商垄断。国内生产的控制器大多采用进口芯片方案并借助软件授权方式，难以实现自主可控，也无法有效控制成本。所以，开发一款采用国产CPU及软件系统的主控制器具有开创性意义。

令人振奋的是，为了打破软硬件生态发展受制于人的局面，龙芯中科推出了龙架构LoongArch，打破了我国CPU长期依赖国外技术的状态[1]。LoongArch是龙芯中科（LoongsonTechnology）自主研发的一种指令集架构，它是在充分考量兼容性、自主性、先进性、生态建设等因素的基础上，结合多年处理器研发经验与技术积累所创建的全新架构。

龙芯CPU在消费端PC及服务器领域已有广阔的市场应用。然而，工业应用与工艺以及诸多硬件紧密关联，发展龙芯的工业生态面临极大困难，而工业恰恰是国家科技与经济命脉之所在。

本文方案以研发百分百国产化工业控制器为目标，选用龙芯3A5000作为主控制器CPU，操作系统采用欧拉Linux系统。为解决实时性问题，采用实时内核Xenomai4与EtherCAT相结合的方式构建EtherCAT主站，开展实时内核EtherCAT在龙芯CPU上的架构建设，以及系统驱动和应用优化工作，从而建立龙芯实时系统应用的软硬件生态。鉴于硬件和软件的自主可控性，本方案有助于国家应对复杂的竞争与挑战，具有重要的战略意义。

1 EtherCAT主站设计及优化

1.1 EtherCAT主站硬件设计

硬件选用龙芯工业级3A5000平台，采用自主指令系统（LoongArch）的超标量处理器核LA464。其拥有4个物理核心，主频范围为 2 . 3 ～ 2 . 5 G H z ，单核SPECCPU2006Base实测性能超过26分，是一款性能卓越、效率超高的国产处理器。其CPU多核技术有利于在运行实时内核时进行分核操作，较高的频率能够满足高精度时钟节拍的要求[2]。桥片选用7A1000，EtherCAT主站网口采用主板内置的GMAC0。在设计过程中，充分考虑了对龙芯2K2000、2K1500等工业级嵌入式CPU的兼容性，以便形成高中端应用。硬件设计框图如图1所示。

1.2EtherCAT主站软件设计

软件方面，操作系统选用欧拉系统内核。欧拉系统秉持“共建、共享、共治”原则，自openEuler社区开源以来，已吸引超过1300家头部企业、研究机构和高校加入，汇聚了超16800名开源贡献者，并成立100多个特别兴趣小组（SIG）。在业界看来，openEuler开源社区已成为中国最具活力与创新力的开源社区。2023年，欧拉系的目标是新增市场份额超 3 5 % ，在国内新增市场份额排名第一[3]。

事实上，以技术为根基持续创新、不断突破边界，已成为欧拉的重要标签。欧拉创造性地提出一套代码、架构支持多样性算力和全场景。openEuler是一个契合技术趋势和客户需求的操作系统，其定位是数字基础设施的开源操作系统。

在万名开发者的参与和贡献下，经过技术创新，欧拉内核已在电力、交通，以及巡检机器人、无人机、机器狗等多个领域的众多项目中落地应用。

实时内核采用开源的Xenomai4，它是在3.2版本基础上发展而来的新一代实时内核架构，更为精简，更侧重于通用驱动，便于部署。其中，EVL指嵌入式多样性实时层（EmbeddedVersatileLayer），它是Xenomai实时框架中的一个组件。EVL旨在通过创建一个更紧凑、更可靠的实时层，提升Linux系统的实时性能。相较于之前的实时子系统，如Cobalt，该层的代码复杂性更低，且能更好地集成到Linux内核中。EVL核心的设计重点在于简化功能集合并重用通用驱动模型，此举能够减少内核的代码占用量，并提供一种更高效、成本更低的实时任务处理方法。根据任务优先级和紧急程度的不同，可将任务分为实时任务

和非实时任务两大类[4]。

通信部分采用EtherCAT协议，它是一种开放的、基于以太网的现场总线系统，具备高实时性、确定性等特性，支持多种设备连接拓扑结构，在工业自动化领域应用广泛。EtherCAT主站部分采用开源的IGH。目前，开源的EtherCAT主站软件有Etherlab的IGHEtherCATMaster[5以及RT-LAB的SOEM，相比之下，IGHEtherCATMaster的功能更为完备。

软件设计框图如图2所示。

1.3EtherCAT主站软件移植及优化

本控制器首先需在对欧拉内核、Xenomai4、IGHEtherCAT等软件编译时增加LoongArch架构支持，并建立编译环境。这一过程工作量巨大，需要与龙芯公司进行联合开发。

Xenomai4的编译安装主要涉及内核和API接口库。首先，需编译具有EVL内核的Linux源码，编译工具链为loongarch64_linux_gcc，随后使用配置工具makemenuconfig配置内核。在此过程中，需要启用CONFIG_ELV、CONFIG_EVL_LATMUS以及CONFIG_EVL_HECTIC，以启用EVL内核并支持latmus和hectic测试程序。编译完成后，安装模块和内核，并更新引导配置。接着编译API库libecl，需使用meson构建，交叉编译工具链同样选择为loongarch64_linux_gcc。编译完成后将其安装到3A5000主机上，完成上述操作后，还需进行一系列测试以验证功能的正确性。

IGHEtherCAT的编译安装，需下载开源的EtherCATIGH1.6.2代码，随后配置编译环境，交叉编译工具链选择loongarch64_linux_gcc，网卡选用3A5000内置网卡驱动stmmac。首先编译主站协议栈库和主站工具，生成EtherCAT命令行工具，用于配置和管理主站。生成的ethercatctl命令行工具，可用于控制主站状态，提供启动、停止、重启等操作命令。接着编译内核驱动模块，生成ec_master.ko和ec_dwmac_loongson.ko这两个Linux驱动模块。其中，ec_master.ko实现了EtherCAT主站协议栈，ec_dwmac_loongson.ko是优化后的网卡驱动，在网卡驱动层面直接支持IGH接口，使IGH能够直接控制网卡进行数据收发。将编译后的文件及工具程序放置到3A5000上，便可通过IGH命令对从站进行简单控制。至此，即可编译IGH主站程序进行开发与控制了。

对Xenomai4软件进行实时性优化[，参考从修改数据帧的角度来提高系统实时性的方法[，使其能在龙芯3A5000上稳定运行，确保实时任务抖动小于2 0 μ s 。接着在此基础上搭建IGH开源主站框架，针对内置GMAC0网口进行实时驱动优化，消除抖动因素。最后挂载伺服及IO从站进行数据测试，并持续优化软件代码及驱动文件，使EtherCAT数据抖动小于 2 0 μ s 。

1.4Xenomai4环境测试和性能分析

Xenomai4移植完成后，需开展单元测试和性能测试。Xenomai4提供了一系列单元测试程序，在构建libevl时，这些程序会生成在＼$prefix/tests目录下。单元测试结果如图3所示。

1.5 IGH主站的搭建和测试

EtherCAT主站对网卡数据收发的实时性要求颇高。为实现EtherCAT协议，需对普通网络设备驱动加以修改，以提升数据收发处理效率。网卡优化完成后，利用龙芯工具链编译并搭建IGH主站。搭建完毕后，运用EtherCAT命令进行功能测试，如图6所示。

2 EtherCAT主站周期抖动测试

2.1EtherCAT主从站系统搭建

主站采用龙芯3A5000控制板，运行EVL实时内核与EtherCAT主站。通过GMAC0网口与4个自主开发的EtherCAT从站连接，从站间采用线型菊花链模式进行连接。同时，在主站和从站之间增设自主开发的EtherCAT分析仪，用于数据监测与分析。在从站端，将示波器与DC信号相连，以监测从站间同步周期与抖动情况。搭建此模拟环境的目的在于模拟实际应用环境中的三轴运动加IO控制，组建的测试系统如图7所示，实物图如图8所示。

2.2主站测试软件的编写

主站用户程序需要按照所连接的从站情况及控制需求逻辑来编写。主要过程涵盖主站和从站的配置以及实时周期性任务的实现。主站借助FPRD命令获取主站发送的数据帧到达各从站端口的时间，并计算各非参考从站与参考从站的传输延时[8]。配置过程需配置主站指针及数据域、依据实际从站信息生成从站配置、配置PDO、DC、同步参考等，具体流程如图9所示。

↓编写从站配置数组√ 配置从站DC信息获取主站指针 T配置从站时钟参考获取数据域指针↓ 完成配置准备进入实时周期任务创建从站配置信息 L↓ 为数据域分配指针地址，配置从站PDO信息 准备实时访问数据域

周期任务分为用户任务和空闲任务。空闲任务主要用来监测和控制从站状态机。当有用户数据时，空闲任务停止。具体流程如图10所示。

2.3EtherCAT的分布时钟（DC）同步精度测试

参考时钟的选取方案有两种：以主站时钟或以从站时钟作为参考时钟[9]；本文选择第一个从站时钟作为参考时钟。使用示波器测量从站DC引脚，以此测量3个从站间时钟同步精度误差，测量情况如图11所示。测量结果显示，分布时钟误差小于 2 0 n s 。

2.4EtherCAT周期抖动测试

主站抖动指的是主站周期性连续发出数据时，相邻两个周期之间时间间隔大小的变化。时间间隔差异越大，抖动越大，对任务实时性的影响也就越大[10]。利用EtherCAT网络分析仪抓取通信过程中的大量数据，并通过Wireshark对数据进行查看与分析。将数据帧时间戳导出进行分析，数据表明，当运行周期为1 m s 时，截取250000个样本数据，抖动 lt; 2 0 μ s 完全能够满足伺服的应用需求，测试结果的抖动图如图12所示。

3结论

本文设计的控制器，硬件采用国产CPU龙芯3A5000，基于自主指令集LoongArch架构；软件方面，从系统内核、实时内核到EtherCAT主站，采用开源软件并进行自主改造优化，构建了国产控制器的生态基础架构。后续，我们团队将进一步迭代完善此架构，并将其应用于团队研发的、具有完全自主知识产权的KRmotion软件控制平台，以研发出一款基于龙芯生态的百分百国产化控制器。鉴于Xenomai实时核在龙芯LoongArch架构上属首次应用，且Xenomai4作为新一代实时核，在国内外应用案例相对较少，移植过程中遭遇诸多困难。截至发文之时，尚未达到最佳性能，仍在进一步完善中，期望有更多人士参与讨论与研究。

参考文献：

[1]岳宇航.基于国产龙芯CPU的气井控制器[D].西安：西安石油大学，2021.

[2]胡伟武，汪文祥，吴瑞阳，等.龙芯指令系统架构技术[J].计算机研究与发展，2023，60（1）：2-16.

[3]杨光.openEuler累计部署610万套成为企业数字化转型首选操作系统[N].中国信息化周报，2023-12-18（023）.

[4]邱昌华，郭永杰，李宗坡，等.基于Xenomai的EtherCAT主站开发与实时性优化[J].自动化应用，2021（12）：82-86.

[5]李备备，栾勇，王超，等.基于AM3358处理器的嵌入式实时EtherCAT主站的构建[J].组合机床与自动化加工技术，2015（5）：1-5.

[6]刘剑，仲宇，王琦.嵌入式Linux实时性改造技术综述[J].航天控制，2018，36（2）：93-97.

[7]刘星宇，张春雷，刘冠宸.基于IgH的EtherCAT主站开发及实时性研究[J].精密制造与自动化，2020（4）：42-45.

[8]李国辉，韩利峰，李丹清，等.基于国产操作系统的EtherCAT的控制系统开发[J].计算机应用，2020，40（S1）：238-242.

[9]荣锋，孙亚硕.EtherCAT分布时钟同步算法的研究与优化[J].仪表技术与传感器，2022（12）：113-118.

[10]方远东，刘建群，梁学胜，等.基于PC的全软件雕铣机数控系统设计及实现[J].机床与液压，2022，50（6）：98-102.

作者简介：孙东华（1983.09—），男，满族，辽宁沈阳人，研发经理，大学本科，研究方向：特种控制器；刘亚冬（1988.09—），男，汉族，辽宁沈阳人，研发工程师，大学本科，研究方向：控制器。