一、背景

本文將以SSC從站協(xié)議棧代碼為例，分析EtherCAT從站運行過程中報錯(錯誤碼：0x1A\0x1B\0x2C)，說明協(xié)議棧的檢測邏輯。

該類錯誤為運行時錯誤，是從站能成功進入OP狀態(tài)以后，在運行過程中檢測到錯誤，狀態(tài)從OP退回到更低級狀態(tài)時報出的錯誤碼。對于從站無法成功進入OP狀態(tài)的初始化錯誤不在此分析中。

當(dāng)從站發(fā)生錯誤時，會切換自身的狀態(tài)從OP到更低狀態(tài)，并將錯誤代碼寫入從站的0x134寄存器報告AL狀態(tài)碼。

完整的AL Status Code定義在ecatslv.h中。

二、 SSC協(xié)議棧代碼分析

不同參數(shù)配置下，SSC Tool生成的協(xié)議棧代碼會有一定不同，本例使用的參數(shù)選項包括如下設(shè)置：

分析協(xié)議棧代碼，可以發(fā)現(xiàn)在運行過程中錯誤碼0x1A\0x1B\0x2C是在CheckIfEcatError()函數(shù)中報出，
該函數(shù)在mainloop()中被調(diào)用，會周期性的執(zhí)行，負(fù)責(zé)檢查通信和同步變量，并設(shè)置AL status(Reg0x130)和AL status code(狀態(tài)錯誤碼 Reg0x134)。

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/**

\brief Checks communication and synchronisation variables and update AL status / AL status code if an error has occurred

*////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void CheckIfEcatError(void)
{
/*if the watchdog is enabled check the process data watchdog in the ESC
and set the AL status code 0x1B if the watchdog expired*/
if (EcatWdValue != 0) // 在從站初始化過程中賦值，默認(rèn)是100ms
{
/*watchdog time is set => watchdog is active*/
UINT32 WdStatusOK = 0;

HW_EscReadDWord(WdStatusOK, ESC_PD_WD_STATE); // 讀0x440寄存器獲取硬件WatchDog的狀態(tài)

WdStatusOK = SWAPDWORD(WdStatusOK);

if (!(WdStatusOK & ESC_PD_WD_TRIGGER_MASK) && (nPdOutputSize > 0)) // 當(dāng)WatchDog溢出時
{
/*The device is in OP state*/

if (bEcatOutputUpdateRunning
)
{
AL_ControlInd(STATE_SAFEOP, ALSTATUSCODE_SMWATCHDOG); //錯誤碼 0x1B
return;
}

else
{
bEcatFirstOutputsReceived = FALSE;
}
}
}

if(bDcSyncActive)
{
if(bEcatOutputUpdateRunning)
{
/*Slave is in OP state*/
if(!bDcRunning) //判斷條件
{
AL_ControlInd(STATE_SAFEOP, ALSTATUSCODE_FATALSYNCERROR); //錯誤碼 0x2C
return;
}
else if(!bSmSyncSequenceValid) // 判斷條件
{
AL_ControlInd(STATE_SAFEOP, ALSTATUSCODE_SYNCERROR); //錯誤碼 0x1A
return;
}
}
}
}

2.1 同步管理器看門狗錯誤碼 ALSTATUSCODE_SMWATCHDOG(0x1B)

該錯誤碼是利用ESC內(nèi)部的硬件看門狗監(jiān)控主站發(fā)給從站的過程數(shù)據(jù)是否按時被接收到。設(shè)定時間內(nèi)沒有接收到主站發(fā)來的PDO數(shù)據(jù)幀，看門狗就會溢出觸發(fā)報錯。

同步管理器看門狗(SM WatchDog)監(jiān)控同步管理器的狀態(tài)，默認(rèn)配置SM2(主站發(fā)過程數(shù)據(jù)給從站)事件觸發(fā)看門狗。

當(dāng)從站接收到主站發(fā)來的過程數(shù)據(jù)時觸發(fā)硬件喂狗，看門狗不會超時。但當(dāng)從站長時間接收不到主站發(fā)來的過程數(shù)據(jù)幀時，看門狗(默認(rèn)閾值100ms)就會計數(shù)超時，讀0x440寄存器獲取當(dāng)前看門狗超時情況進行報錯，代碼分析見上文CheckIfEcatError()函數(shù)。

硬件同步管理器看門狗(SM WatchDog)的閾值和觸發(fā)設(shè)置如下：

出錯原因：同步管理器看門狗錯誤其默認(rèn)閾值是100ms，遠(yuǎn)大于常見的主站通信周期，在如此長時間沒有收到主站發(fā)來的過程數(shù)據(jù)幀，基本上是物理鏈路出了問題，比如鏈路中PHY出現(xiàn)斷聯(lián)導(dǎo)致主站和該從站之間斷開造成的。

2.2 致命同步錯誤碼 ALSTATUSCODE_FATALSYNCERROR(0x2C)

該錯誤碼是利用MCU提供的1ms軟件定時器監(jiān)控的SYNC0中斷服務(wù)函數(shù)的執(zhí)行情況。當(dāng)SYNC0中斷服務(wù)函數(shù)Sync0_Isr()在規(guī)定的時間內(nèi)得不到執(zhí)行時觸發(fā)報錯。

由上文CheckIfEcatError()函數(shù)可知，在函數(shù)中錯誤碼ALSTATUSCODE_FATALSYNCERROR(0x2C)根據(jù)bDcRunning變量狀態(tài)實現(xiàn)檢測。

查找bDcRunning變量的賦值情況，其在DC_CheckWatchdog()中賦值，該函數(shù)的調(diào)用路徑是：
MCU提供的1ms定時中斷服務(wù)函數(shù)(生成SSC代碼時設(shè)置ECAT_TIMER_INT = 1） -> ECAT_CheckTimer() -> DC_CheckWatchdog() -> bDcRunning變量賦值。

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/**

\brief This function checks the current Sync state and set the local flags
The analyse of the local flags is handled in "CheckIfEcatError"

*////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void DC_CheckWatchdog(void)
{

if(bDcSyncActive && bEcatInputUpdateRunning)
{
/*If Sync0 watchdog is enabled and expired*/
if((Sync0WdValue > 0) && (Sync0WdCounter >= Sync0WdValue)) //判斷計數(shù)器是否超出閾值
{
/*Sync0 watchdog expired*/
bDcRunning = FALSE; //超出閾值，設(shè)置bDcRunning為假
}
else
{
if(Sync0WdCounter < Sync0WdValue) // 計數(shù)器未超出閾值
{
Sync0WdCounter ++; // 計數(shù)器遞增
}

bDcRunning = TRUE;
}

//省略代碼
}
}

從DC_CheckWatchdog()代碼可知，該函數(shù)負(fù)責(zé)檢查DC同步狀態(tài)并設(shè)置flag，然后由CheckIfEcatError()根據(jù)相應(yīng)flag進行報錯。

為設(shè)置標(biāo)志bDcRunning，引入變量Sync0WdValue和Sync0WdCounter，可以將其機制理解為軟件實現(xiàn)的看門狗。

Sync0WdValue是閾值，Sync0WdCounter是計數(shù)器值。計數(shù)器Sync0WdCounter在DC_CheckWatchdog()中每1ms遞增1，當(dāng)Sync0_Isr()執(zhí)行時對Sync0WdCounter清零(相當(dāng)于喂狗)，如果沒有執(zhí)行Sync0_Isr()(相當(dāng)于沒有喂狗)，Sync0WdCounter會計數(shù)到超出閾值Sync0WdValue，觸發(fā)報錯邏輯。

PROTO UINT16 Sync0WdCounter; /**< \brief Sync0 watchdog counter*/
PROTO UINT16 Sync0WdValue; /**< \brief Sync0 watchdog value*/

閾值Sync0WdValue在從站初始化過程中由函數(shù)StartInputHandler()賦值，其賦值規(guī)則為閾值Sync0WdValue = 2 * Sync0周期且大于等于1ms(因為軟件定時器的時間精度是1ms)，閾值為0時表示禁用。

UINT16 StartInputHandler(void)
{
//省略代碼

/* calculate the Sync0/Sync1 watchdog timeouts */
if ( (dcControl & ESC_DC_SYNC0_ACTIVE_MASK) != 0 )
{
/*calculate the Sync0 Watchdog counter value the minimum value is 1 ms
if the sync0 cycle is greater 500us the Sync0 Wd value is 2*Sycn0 cycle */
if(cycleTimeSync0 == 0)
{
Sync0WdValue = 0;
}
else
{
UINT32 Sync0Cycle = cycleTimeSync0/100000; //獲取Sync0周期，單位100us

if(Sync0Cycle < 5)
{
/*Sync0 cycle less than 500us*/
Sync0WdValue = 1; // 最小閾值1ms
}
else
{
Sync0WdValue = (UINT16)(Sync0Cycle*2)/10; // 閾值 = 2 * Sync0Cycle, 結(jié)果換算為ms
}
}
//省略代碼
}

//省略代碼
}

計數(shù)器Sync0WdCounter在Sync0_Isr()中清零。

void Sync0_Isr(void)
{
Sync0WdCounter = 0; // 計數(shù)器清零
//省略代碼
}

綜上，致命同步錯誤ALSTATUSCODE_FATALSYNCERROR(0x2C)的檢查邏輯為：根據(jù)Sync0的周期設(shè)置閾值Sync0WdValue，在MCU提供的1ms定時器中斷中對計數(shù)器值Sync0WdCounter+1，在Sync0中斷服務(wù)函數(shù)中對計數(shù)器值Sync0WdCounter清零。當(dāng)Sync0的中斷服務(wù)函數(shù)長時間不被執(zhí)行時，Sync0WdCounter就會累加超出閾值，DC_CheckWatchdog()將設(shè)置bDcRunning為假，最后CheckIfEcatError()依據(jù)bDcRunning報出錯誤。

該錯誤較少出現(xiàn)。因為SYNC0中斷請求是ESC自身的定時器(分布時鐘：Distributed Clocks)周期性產(chǎn)生的中斷請求。當(dāng)分布時鐘DC被激活之后，Sync0中斷請求的產(chǎn)生與通信情況無關(guān)(不考慮通信過程對DC時鐘進行的校準(zhǔn))，即使拔掉網(wǎng)線，SYNC0中斷請求依然周期性產(chǎn)生，MCU接收到Sync0中斷請求之后就會去執(zhí)行Sync0_Isr()中斷服務(wù)函數(shù)實現(xiàn)軟件定時器喂狗。

理論出錯原因：

1. 主站在未更改從站同步模式的情況下，異常關(guān)閉從站的分布時鐘DC功能，導(dǎo)致其不再產(chǎn)生SYNC0中斷請求。
2. 從站MCU錯誤關(guān)閉Sync0中斷響應(yīng)，即雖然Sync0中斷請求產(chǎn)生了但中斷響應(yīng)被關(guān)閉了或其他原因?qū)е碌牟话磿r執(zhí)行SYNC中斷服務(wù)函數(shù)。

2.3 同步錯誤碼 ALSTATUSCODE_SYNCERROR(0x1A)

該錯誤碼檢測PDI_Isr()和Sync0_Isr()中斷服務(wù)函數(shù)的執(zhí)行順序。

由上文CheckIfEcatError()函數(shù)可知，錯誤碼ALSTATUSCODE_SYNCERROR(0x1A)是根據(jù)bSmSyncSequenceValid變量狀態(tài)實現(xiàn)的檢測。

PROTO BOOL bSmSyncSequenceValid; /**< \brief Set to true if SM/Sync0 sequence is valid*/

從bSmSyncSequenceValid標(biāo)志的名稱上可以看出，這是監(jiān)控SyncManager事件(PDI_Isr中斷函數(shù))和Sync0事件(Sync0_Isr中斷函數(shù))的執(zhí)行順序。

查看標(biāo)志bSmSyncSequenceValid的賦值過程，可知其同樣在函數(shù)DC_CheckWatchdog()中賦值：

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/**

\brief This function checks the current Sync state and set the local flags
The analyse of the local flags is handled in "CheckIfEcatError"

*////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void DC_CheckWatchdog(void)
{
if(bDcSyncActive && bEcatInputUpdateRunning)
{
// 省略代碼

if(bDcRunning)
{
/*ECATCHANGE_START(V5.13) ESM4*/
if((sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit == 0) || (sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter < sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit))
/*ECATCHANGE_END(V5.13) ESM4*/
{
bSmSyncSequenceValid = TRUE;

/*Wait for PLL is active increment the Pll valid counter*/
if (i16WaitForPllRunningTimeout > 0)
{
i16WaitForPllRunningCnt++;
}
}
else if (bSmSyncSequenceValid) // 條件1: ((sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit != 0) && (sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter >= sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit))
{
bSmSyncSequenceValid = FALSE; // 報錯

/*Wait for PLL is active reset the Pll valid counter*/
if (i16WaitForPllRunningTimeout > 0)
{
i16WaitForPllRunningCnt = 0;
}
}
}
else if(bSmSyncSequenceValid) // 條件2: (!bDcRunning)， 該條件是在ALSTATUSCODE_FATALSYNCERROR(0x2C)時產(chǎn)生的
{
bSmSyncSequenceValid = FALSE; // 報錯
}
}
}

標(biāo)志bSmSyncSequenceValid的賦值過程使用到對象字典參數(shù)中的sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter和sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit。

閾值sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit的值為4(賦值細(xì)節(jié)不展開)：

#defineMAX_SM_EVENT_MISSED 4 /**< \brief threshold of max missed counter value (0x1C32.11 / 0x1C33.11)*/

計數(shù)值sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter在Sync0_Isr(void)中增加：

sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter = sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter + 3;

計數(shù)值sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter在PDI_Isr(void)中減?。?/p>

sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter--;

為了管理sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter的計數(shù)，引入u16SmSync0Counter和u16SmSync0Value變量，實現(xiàn)對PDI_Isr()和Sync0_Isr()執(zhí)行順序的檢測。

PROTO UINT16 u16SmSync0Counter; /**< /brief Incremented by one on every Sync0 event and reset to 0 on every SM event. It is used to check the SM/Sync0 sequence */
PROTO UINT16 u16SmSync0Value; /**< /brief Allowed Sync0 events within one SM cycle. If 0 the Sequence check is disabled */
valid*/

閾值u16SmSync0Value同樣在初始過程中由StartInputHandler賦值，其根據(jù)同步類型進行賦值，在使用Sync0不使用Sync1的情況下，其被賦值為1。

UINT16 StartInputHandler(void)
{
//省略代碼

if(bSubordinatedCycles == TRUE)
{
// 省略代碼
}
else
{
if(SyncType0x1C32 == SYNCTYPE_DCSYNC0) // 判斷同步模式
{
/* if SyncType of 0x1C32 is 2 the Sync0 event is trigger once during a SM cycle */
u16SmSync0Value = 1; // 賦值為1
}

if(SyncType0x1C33 != SYNCTYPE_DCSYNC1)
{
LatchInputSync0Value = 1;
}
}

//省略代碼
}

查看計數(shù)器u16SmSync0Counter的賦值過程：
在Sync0_Isr()中u16SmSync0Counter遞增，當(dāng)u16SmSync0Counter遞增超出閾值時sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter會+3。

void Sync0_Isr(void)
{
// 省略代碼

if(u16SmSync0Value > 0)
{
/* Check if Sm-Sync sequence is invalid */
if (u16SmSync0Counter > u16SmSync0Value) // 當(dāng)計數(shù)器值超出閾值
{
if ((nPdOutputSize > 0) && (sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter <= sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit))
{
sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter = sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter + 3; // 對象字典參數(shù)+3
}

if ((nPdInputSize > 0) && (nPdOutputSize == 0) && (sSyncManInPar.u16SmEventMissedCounter <= sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit))
{
sSyncManInPar.u16SmEventMissedCounter = sSyncManInPar.u16SmEventMissedCounter + 3;
}

} // if (u16SmSync0Counter > u16SmSync0Value)

if ((nPdOutputSize == 0) && (nPdInputSize > 0))
{
// 省略代碼
}
else if (u16SmSync0Counter <= u16SmSync0Value) // 條件 (nPdOutputSize ！= 0)
{
u16SmSync0Counter++; // 計數(shù)器遞增
}
}//SM -Sync monitoring enabled

// 省略代碼
}

在PDI_Isr()中u16SmSync0Counter清零，并在sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter > 0的情況下對其-1。

void PDI_Isr(void)
{
// 省略代碼

if(bEscIntEnabled)
{
if ( ALEvent & PROCESS_OUTPUT_EVENT )
{
if(bDcRunning && bDcSyncActive)
{
/* Reset SM/Sync0 counter. Will be incremented on every Sync0 event*/
u16SmSync0Counter = 0; // 計數(shù)器清零
}
if(sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter > 0)
{
sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter--; // 對象字典參數(shù)-1
}

sSyncManInPar.u16SmEventMissedCounter = sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter;
}
}

// 省略代碼
}

綜上，u16SmSync0Counter在Sync0_Isr()中+1，在PDI_Isr()中清零。Sync0中斷由從站本地DC時鐘周期性觸發(fā)，PDI(SM2事件)中斷由主站發(fā)PDO數(shù)據(jù)幀到從站，從站接收后觸發(fā)。

出錯原因：

正常情況下，每一個Sync0周期內(nèi)，從站都能接收到主站發(fā)來的一次PDO數(shù)據(jù)幀。如果因為某種原因，在一個Sync0周期中，從站沒有接收到主站的PDO數(shù)據(jù)幀，那么就不會觸發(fā)PDI中斷，u16SmSync0Counter就不會清零，計數(shù)值就會超出閾值，造成sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter+3。依此類推直到DC_CheckWatchdog()函數(shù)依據(jù)sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter設(shè)置標(biāo)志bSmSyncSequenceValid為假，最后CheckIfEcatError()函數(shù)依據(jù)bSmSyncSequenceValid進行報錯。

主站發(fā)出PDO數(shù)據(jù)幀周期的抖動或物理鏈路斷開導(dǎo)致主站數(shù)據(jù)幀無法到達從站都能造成在一個Sync0周期中，從站接收不到主站的PDO數(shù)據(jù)幀。如果是物理鏈路問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)幀無法到達從站，由于物理鏈路的斷開和恢復(fù)時間，遠(yuǎn)超出100ms，從站會有超出100ms時間，無法接收到主站的PDO數(shù)據(jù)幀，這會最終導(dǎo)致報出同步管理器看門狗錯誤碼ALSTATUSCODE_SMWATCHDOG(0x1B)。如果最終產(chǎn)生的錯誤碼只有同步錯誤碼 ALSTATUSCODE_SYNCERROR(0x1A)，這就說明是由主站發(fā)出PDO數(shù)據(jù)幀的周期抖動問題造成。

對于主站發(fā)出PDO數(shù)據(jù)幀的抖動，可以適當(dāng)在主站中配置Sync Shift Time，來增大對主站PDO數(shù)據(jù)幀周期抖動的容許，該辦法并不完全解決問題(細(xì)節(jié)此處不展開)。

更改閾值sErrorSettings.u16SyncErrorCounterLimit(值：MAX_SM_EVENT_MISSED)可以增大對該類錯誤的容許。

補充說明：

需要說明的是該過程中sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter會在Sync_Isr()中滿足出錯條件時+3，在PDI_Isr()中滿足條件時-1，其數(shù)值增加和減少的幅度不同，

個人理解該機制可以用于適配不同的sync0周期設(shè)置。比如sync0周期是125us，DC_CheckWatchdog()執(zhí)行周期是固定1ms，使用這種機制可以有效監(jiān)控一段時間內(nèi)的出錯情況。如果一段時間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)Sync_Isr()和PDI_Isr()執(zhí)行順序問題，則會造成計數(shù)值累加到較大值(單次+3)，即使后續(xù)被減小(單次-1)；如果一段時間內(nèi)只是出現(xiàn)一兩次Sync_Isr()和PDI_Isr()執(zhí)行順序問題，計數(shù)值累加值不大，其后PDI_Isr()執(zhí)行時-1，等DC_CheckWatchdog()函數(shù)執(zhí)行時sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter可能已經(jīng)被減小到閾值之下了不報錯了。

除了解決周期上不同的問題，該機制還可以解決sync0周期與DC_CheckWatchdog()執(zhí)行的1ms周期的異步問題。(sSyncManOutPar.u16SmEventMissedCounter的增減機制為個人理解，如有錯誤歡迎指正)。

總結(jié)

上文CheckIfEcatError()函數(shù)實現(xiàn)的理解可以看出其監(jiān)控了3種錯誤狀態(tài)，3種錯誤監(jiān)控的時間閾值不同， 每個錯誤后都會有return語句提前返回，造成3種錯誤的報告優(yōu)先級/嚴(yán)重等級也不同。

致命同步錯誤碼ALSTATUSCODE_FATALSYNCERROR(0x2C)和同步錯誤碼ALSTATUSCODE_SYNCERROR(0x1A)是在啟用DC同步功能時才可能出現(xiàn)的錯誤碼。

假設(shè)在使用DC功能的情況下，某一時刻t拔掉主站和從站之間的網(wǎng)線，那么在t + 2 * Sync0 cycle后，同步錯誤ALSTATUSCODE_SYNCERROR(0x1A)能夠被報出，在t + 100ms后，同步管理器看門狗ALSTATUSCODE_SMWATCHDOG(0x1B) 錯誤發(fā)生，其優(yōu)先級最高，之后報出的錯誤碼就是ALSTATUSCODE_SMWATCHDOG(0x1B) 。

當(dāng)出現(xiàn)同步錯誤碼ALSTATUSCODE_SYNCERROR(0x1A)時，認(rèn)為與主站發(fā)出的PDO數(shù)據(jù)幀周期抖動相關(guān)?？梢哉{(diào)大DC同步周期進行對比，或使用帶準(zhǔn)確時間戳的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)抓包功能進行數(shù)據(jù)幀周期分析佐證，PC安裝TwinCAT軟件作為主站，其實時性一般較差，可以換成可靠的PLC設(shè)備進行小DC周期情況下的測試。

當(dāng)出現(xiàn)同步管理器看門狗錯誤ALSTATUSCODE_SMWATCHDOG(0x1B)，其默認(rèn)閾值為100ms，一般會多倍于主站的數(shù)據(jù)幀周期，此時這種問題不會是主站的數(shù)據(jù)幀周期抖動造成，基本肯定是物理鏈路發(fā)生斷聯(lián)造成，可以肉眼觀察網(wǎng)線的Link指示燈(短時間可復(fù)現(xiàn)情況下)或使用wireshark抓包分析確認(rèn)物理鏈路斷聯(lián)問題。