在这个智能化制造的新时代,制造领域对于工业机器人通信系统的实时响应和时钟同步误差精度要求不断提高。为顺应未来工业机器人制造领域的网络化和智能化,近年来出现的EtherCAT技术,不仅带宽容量和传输效率比传统的工业现场总线高,且时钟同步机制极大程度上提高通信的同步性,非常适用于工业机器人,其主要应用在包装、焊接等高速加工的工业机器人中。本文针对工业机器人通信系统高实时性和高同步性的通信要求,在研华的嵌入式工控平台上,完成主站的软硬件环境的搭建,并实现基于IGH EtherCAT开源主站设计,主要设计内容如下。首先简述工业以太网的研究现状,比较分析三种典型的工业以太网类型后,选择实时性能和同步性能更好的EtherCAT进行开发。从EtherCAT系统的软件结构和硬件结构入手,分析主站和从站的硬件架构,剖析EtherCAT协议运行阶段的原理,深入探讨数据帧结构、分布式时钟等原理。根据EtherCAT通信的需求,确定X86硬件平台;软件结构方面,选择实时性能较好的Linux+Xenomai主站操作系统,主站软件模块使用开源的IGH EtherCAT Master。其次分析开源IGH主站软件模块,介绍EtherCAT软件模块的三个关键结构:用户模块、主站软件模块和带EtherCAT功能的网卡驱动,简述各个模块间的相互关系。深入剖析标准网卡驱动程序,从标准的Intel IGB网卡驱动程序入手,对其进行实时性改造,设计出带EtherCAT功能的IGB本地专用网卡驱动。设计的驱动程序中,将中断关闭后使用轮询数据收发函数,底层通过调用IGH EtherCAT网络堆栈传递数据。基于Xenomai+IGH EtherCAT Master这套开源框架,分别从主从站配置和周期任务,完成对IGH主站应用程序的设计。为提高应用程序的实时性,利用Xenomai程序接口,对应用程序中周期任务模块进行实时性改造,提高对任务周期的控制精度。针对工业机器人中从站间的时钟同步需求,利用分布式时钟同步技术,提出一种补偿时钟偏差的同步方法,实现了从站间精确的时钟同步。最后搭建好主站系统测试环境,主站硬件平台为研华工控机ARK-2121,对操作系统任务调度延迟、主站通信稳定性、数据传输的实时性和两从站间同步性测试。测试得到Xenomai最大任务延迟为28.019μs;实时性测试在网线长度为1米、从站数为2时,测得主站发送完一帧数据帧的平均周期时间为7.80μs;同步性测试测得两个从站间同步时间误差维持在70ns。测试结果表明本文设计的EtherCAT主站稳定性良好,同时较好的系统实时性和从站间的同步性满足工业机器人的应用需求。