在当今快速发展的工业自动化领域，技术创新正推动着生产效率和智能化水平的不断提升。其中，嵌入式实时操作系统Zephyr RTOS与工业以太网EtherCAT的结合，为智能制造和自动化技术的发展带来了较好的影响。嵌入式实验室的小伙伴们（吕东坡、熊程来、谢国琪老师）完成了EtherCAT for Zephyr，即Zephyr RTOS对工业以太网EtherCAT的支持，并可在ZVM虚拟化环境下实现。
一、Zephyr RTOS on ZVM简介
Zephyr RTOS是一款开源操作系统，由Wind River Systems在2016年向Linux基金会贡献。当今Zephyr已发展成为由英特尔、ARM和Nordic Semiconductor等多个行业利益相关方支持的合作项目。并成为嵌入式操作系统领域最活跃的项目之一。同时，由于Zephyr RTOS优秀的开源社区，Zephyr RTOS已经在各个领域中出现了广泛的应用案例。此外，嵌入式实验室基于Zephyr RTOS从无到有完全自研了实时嵌入式虚拟机ZVM，并可成功运行Zephyr RTOS等虚拟机。
Zephyr活跃的生态系统
二、EtherCAT: 工业以太网通信方案
EtherCAT作为一种工业以太网技术，以其卓越的实时性能和高度的网络拓扑灵活性，为现代自动化控制系统提供了一个高效、可靠的通信骨干。它通过一个主站来管理多个从站，利用硬件级别的优化实现了微秒级的数据传输速度，满足了工业环境中对实时性的最高要求。EtherCAT的数据帧结构遵循IEEE802.3标准，确保了与现有以太网基础设施的兼容性，同时支持复杂的网络拓扑和大规模从站部署，理论上可达65535个从站。此外，EtherCAT的寻址模式灵活多样，包括设备寻址、逻辑寻址、广播寻址等，使得网络配置和设备管理变得简单快捷。这些特性使得EtherCAT不仅适用于自动化控制，还广泛应用于运动控制、过程自动化、机器人技术以及楼宇自动化等多个领域，成为智能制造和工业4.0的关键通信协议。随着技术的不断发展，EtherCAT预计在未来的工业自动化和智能制造中扮演更加核心的角色。
EtherCAT工作原理
三、EtherCAT for Zephyr在ZVM上的实现
在工业自动化领域，技术的融合创新是推动产业升级的关键动力。嵌入式实时操作系统与工业以太网EtherCAT的结合便是一种融合创新方式。Zephyr RTOS作为一个高度灵活的实时操作系统，为EtherCAT协议的实施提供了强大的支持。同时，考虑虚拟化系统在嵌入式领域的进一步引用，我们的工作将Zephyr RTOS与EtherCAT的结合在ZVM虚拟化平台中进行了验证，这种设计有如下优势：
1）虚拟化优势与实时性能的结合
ZVM的虚拟化技术允许多个EtherCAT主站实例（多个Zephyr RTOS）在同一硬件平台上并行运行，每个实例都有独立的操作系统和网络配置。这种资源隔离确保了不同应用之间的安全性和稳定性，同时提高了硬件资源的利用率。此外，Zephyr的实时性能与EtherCAT的微秒级响应时间相结合，满足了工业控制中对高实时性的要求。
2）简化网络架构与提升系统可靠性
在ZVM的虚拟化环境中，可以简化EtherCAT网络的架构设计。在传统的工业网络中，每个EtherCAT主站都需要独立的硬件平台。而ZVM允许多个主站共享同一硬件资源，减少了硬件成本和维护复杂性。同时，ZVM的虚拟化技术还提供了故障隔离的优势，一个主站（Zephyr RTOS）的故障不会影响到其他虚拟机的运行，从而提升了整个系统的可靠性。
EtherCAT for Zephyr在ZVM上的实现
四、实验验证与成果展示
构建测试环境
实验环境模拟了工业自动化的实际应用场景。主站使用基于4核ARM Cortex A55的瑞芯微OK3568-C硬件平台，而从站则采用了STM32F405与Microchip lan9252芯片的组合开发板。通过网线将主站与从站相连，形成了一个高效且简洁的一主一从网络结构。
EtherCAT on Zephyr 在虚拟化环境上的真实硬件平台
功能测试
实验的第一阶段聚焦于验证EtherCAT for Zephyr主站在虚拟化环境下的关键功能。我们设计了相关基础的测试步骤，包括网络驱动的初始化、数据帧的发送与接收、时钟同步功能，以及多线程执行能力。在这些基础功能测试下，显示当前EtherCAT for Zephyr上的各项功能都正常，验证了EtherCAT在Zephyr RTOS上的正常部署。
性能评估
在基础的功能测试外，我们还进行了性能评估测试。性能评估通过对比虚拟化环境下Zephyr RTOS与Windows操作系统平台上的EtherCAT SOEM主站执行相同任务的表现来进行。测试包括循环发送NOP命令以验证时钟同步功能，以及模拟从站失联情况以测试后台监控线程的响应能力。通过统计任务实际间隔周期并计算浮动区间和平均值，结果显示，EtherCAT on Zephyr在虚拟化环境中实时性、稳定性上相较于非实时操作系统平台有着明显的优势。
五、总结
实验验证与成果展示验证了EtherCAT for Zephyr在虚拟化环境下的成功部署，为Zephyr RTOS生态贡献出了我们团队的一份力量。且随着嵌入式实时系统的越来越复杂、嵌入式实时虚拟化系统应用场景越来越广泛。这种基于结合基础系统软件能力（如实时操作系统）与实际应用场景需求（如工业控制总线）的工作必将进一步加速发展。
