【睿擎派】EtherCAT总线之IO模块读写

在上一篇文章《【睿擎派】CANOpen总线之IO模块读写(DS401协议)》我写了关于睿擎派上CANOpen的IO模块通信，为什么先写CANOpen？说来也有挺意思，是因为在睿擎派上对接EtherCAT的IO模块，花费了很久时间，也没有多少进展，所以转头去研究了基于CANOpen对接IO模块，因为二者是有非常大的渊源的。

 一、EtherCAT和CANOpen的异同

1980年代CAN总线诞生，1996年CANOpen协议发布，2003年EtherCAT技术发布。EtherCAT 和 CANopen 的核心关系是：CANopen 是协议规范（侧重应用层），EtherCAT 是总线技术（侧重物理层 / 传输层）—— 两者均源于 CAN 总线生态，EtherCAT 复用了 CANopen 的核心应用层规范，同时在底层传输上实现了质的突破，最终形成 “上层兼容、底层独立” 的技术互补格局。

EtherCAT完全复用 CANopen 的对象字典结构（索引范围、寻址方式），仅在 0x1C00~0x1C3F 等区间扩展了 Sync Manager、DC 同步等专属索引。完全保留 PDO/SDO 的功能定义，仅改变了底层传输方式。

CANopen 的 PDO 通过 COB-ID 映射到 CAN 帧，EtherCAT 的 PDO 通过 Sync Manager（同步管理器）绑定到以太网帧；CANopen 的 SDO 通过 CAN 帧分片传输，EtherCAT 的 SDO 通过邮箱通道（SM0/SM1）实现低延迟传输；

CANopen通过 EDS（Electronic Data Sheet）文件描述设备的对象字典、PDO 映射等配置，主站通过 EDS 识别设备；

EtherCAT通过 ESI（EtherCAT Slave Information）文件扩展 EDS 规范，新增了 Sync Manager、DC 同步、FMMU 等 EtherCAT 专属配置，同时兼容 EDS 的核心内容；

此外比较关键的差异就是CAN总线最大速率1Mbps，ms级抖动，而EtherCAT最大可以1Gbps速率，us级抖动。这其中的原因除了速率上的差异外，传输机制上有很大的差别，CANOpen是帧逐节点转发，需等待节点处理后再传递，而帧 “并行处理”，所有节点同时读取帧中自身数据（如下面的动图比较形象的展现了EtherCAT的传输原理）。

 

CANOpen主要运用在低速设备（传感器、执行器）、低成本场景，而EtherCAT多用在高速 IO、多轴伺服、实时控制场景，比如机器臂，具身智能等设备上。

 

二、睿擎派对接雷赛EM32DX-E4-V30模块

我从RC-Pi-3506的SDK1.5.0版本开始进行IO模块对接，经过SDK1.7.0版本，最后在SDK1.7.2版本上在RTT郭老师的协助下调试成功，SDK1.7.2和SDK1.7.0关于EtherCAT的接口调用差异还是蛮大的，所以本篇内容以SDK1.7.2版本为准。

 在真正对接之前，除了硬件模块外，还需要硬件手册和ESI文件（文后附相关文件下载链接）。

 

 我们以BSP 1.7.2版本的示例工程06_bus_ethercat_master_2motor_1io为基础进行开发调试。

  本代码的官方说明的链接如下：

https://www.rt-thread.com/ruiching/document/site/rc3506/q7dq3ksb/#%E7%A4%BA%E4%BE%8B%E8%BF%90%E8%A1%8C

 原示例支持2个伺服器+1个IO模块，为了简化，我们睿擎派只连接一个IO模块（如下图）。 

 所以ethercat_2motor_1io.c文件的第16行代码我们把电机的数量调整为0。

#define MOTOR_NUM       0 //2

 （1）配置PDO

最关键的部分是修改IO模块的PDO定义，由于官方示例中所用的IO模块（SG-ELC）和我们的型号规格不同，所以需要修改这部分配置。

查阅《EM32DX-E4 模块用户手册 V3.1》 第20页 5.2.1小结（如下图） 

 对应IO模块16路开关量输入，所以对应的pdo定义的代码如下：

static ec_pdo_entry_info_t eio_input_pdo_entries[] =

{

    { 0x6000, 0x01, 16 },

};

0x6000是索引地址

0x01 是子索引地址

16表示16bit

 同样，我们查阅第22页5.2.3小结（如下图）

 

 对应IO模块的16路开关量输出，所以对应的pdo定义代码如下：

static ec_pdo_entry_info_t eio_output_pdo_entries[] =

{

    { 0x7000, 0x01, 16 },

};

0x7000是索引地址

0x01 是子索引地址

16表示16bit

 ec_pdo_entry_info_t是定义单个PDO条目的核心属性类型，其结构体的定义如下：

typedef struct

{

    uint16_t index;     /**< PDO entry index. */

    uint8_t subindex;   /**< PDO entry subindex. */

    uint8_t bit_length; /**< Size of the PDO entry in bit. */

} ec_pdo_entry_info_t;

 index – DO主索引 （对象字典对应条目主索引地址）

subindex- DO子索引

bit_length – 对应的位数

 我们再看5.2.1和5.2.3的说明，TxPDO0的索引地址为0x1A00，RxPDO0的索引地址为0x1600。

我们需要配置eio_pdos 对象数组，其结构体定义为ec_pdo_info_t ，原型如下：

typedef struct

{

uint16_t index;       

uint32_t n_entries;

    ec_pdo_entry_info_t const *entries;

} ec_pdo_info_t;

 

index – PDO索引，本身也是对象字典的一部分，TxPDO是 从站à主站（数据上传），RxPDO是主站à从站（指令下发）。

n_entries – 对应条目的数量

entries 条目数组指针。

所以eio_pdos 对象数组的定义代码如下：

ec_pdo_info_t eio_pdos[] = {

    { 0x1600, 1, eio_output_pdo_entries },

    { 0x1a00, 1, eio_input_pdo_entries },

};

接下来我们定义同步管理器相关内容。我们先看ec_sync_info_t 结构体定义。

typedef struct

{

    uint8_t    index;          /**< Sync manager index. */

    ec_direction_t dir         /**< Sync manager direction. */

    uint32_t n_pdos;           /**< Number of PDOs in \a pdos. */

ec_pdo_info_t const *pdos; /**< Array with PDOs to assign. This

 must contain at least \a n_pdos PDOs. */

    ec_watchdog_mode_t watchdog_mode; /**< Watchdog mode. */

} ec_sync_info_t;

 

index – 同步管理器的硬件索引 0 – 15，常见的是SM0-SM3

       对应SDO非实时操作

        SM0（索引 0）- 主站→IO 模块（系统配置入），发送SDO报文，配置对象字典，接受CoE管理指令、

SM1（索引 1）-  IO 模块→主站（系统响应出），SDO响应报文，回传诊断信息，发送从站状态切换码。

        对应PDO实时操作：

        SM2（索引 2）- 主站→IO 模块（输出）

SM3（索引 3）-  IO 模块→主站（输入）

dir – SM的传输方向 EC_DIR_OUTPUT：主站输出→从站输入（RxPDO，如 DO 控制），EC_DIR_INPUT：从站输出→主站输入（TxPDO，如 DI 采集）。

n_pdos – SM要绑定的PDO数量（pdos数组中的PDO个数）

watchdog_mode -- 看门狗模式（枚举类型）：

- EC_WD_DISABLE：禁用看门狗

- EC_WD_ON：启用看门狗（主站心跳超时后，从站进入安全状态，如 DO 归零）

综上，所以eio_syncs的数组定义如下：

ec_sync_info_t eio_syncs[] =

{

    { 2, EC_DIR_OUTPUT, 1, &eio_pdos[0], EC_WD_DISABLE },

    { 3, EC_DIR_INPUT, 1, &eio_pdos[1], EC_WD_DISABLE },

};

也就是官方代码（右边）被左边的代码代替。 

 （2）配置DC

这部分相关的内容需要查询ESI文件，也就是因为DC配置有误，设备总进入不到OP模式的主要原因。

EM32DX-E4.xml文件里，支持两种产品型号，一种是EM32DX-E4-V30，一种是EM32DX-E4，

EM32DX-E4是支持DC同步的，配置如下图所示： 

 而EM32DX-E4-V30对应的ESI描述如下： 

 通过读取设备数据字典的信息，我们知道当前这款EM32DX-E4模块其实是EM32DX-E4-V30。它是不支持DC的。 

 相关DC配置必须为0才可以。另外查手册或者回读数据字典，我们都可以知道厂商ID为0x00004321，这个地方需要替换一下。

此外进入OP模式后，电机操作的代码注释掉就可以了，这里不做详述了。

三、运行调试

编译代码，然后部署。最后在远程操作终端，我们输入ect_csp_io,进行EtherCAT总线初始化及相关的配置。然后再输入motor_run命令，就可以看到开关量输出灯像走马灯一样运转了。 

 

附1：内置调试命令 

 附2：雷赛EM32DX-E4说明书和ESI文件

https://download.csdn.net/download/yefanqiu/92462286