冗余切换
4.4 — EtherCAT 线缆冗余与双网卡故障切换机制
概览
什么是 EtherCAT 冗余?
EtherCAT 支持两种冗余方式：线缆冗余（环形拓扑）和设备冗余（双网卡）。IgH EtherCAT Master 通过 devices[EC_DEVICE_MAIN] 和 devices[EC_DEVICE_BACKUP] 两个网卡设备实现冗余通信。当主线缆发生故障时，主站自动通过备用线缆继续通信，实现零停机切换。
冗余模式对比
环形冗余: 末尾从站将数据帧通过反向路径返回主站，只需一个网卡。断线后数据帧自动绕行
双网卡冗余: 主站使用两个独立网卡（主/备），分别连接总线两端。主线缆故障时切换到备用网卡
技术详情
双设备架构
IgH 主站支持最多两个网卡设备。当加载模块时指定备用 MAC 地址，主站自动启用冗余模式：
加载冗余模式
# 加载主站模块，指定主网卡和备用网卡 MAC
insmod ec_master.ko \main_devices=00:11:22:33:44:55 \backup_devices=00:11:22:33:44:56
| 设备索引 | 常量 | 角色 |
|---|---|---|
devices[0] |
EC_DEVICE_MAIN |
主网卡 — 正常时用于收发 EtherCAT 帧 |
devices[1] |
EC_DEVICE_BACKUP |
备用网卡 — 仅在冗余模式下使用 |
冗余切换时序
sequenceDiagramparticipant APP as 应用程序participant MST as ec_masterparticipant MAIN as Main Deviceparticipant BACKUP as Backup Deviceparticipant BUS as EtherCAT 总线Note over MST,BUS: 正常通信 (通过主网卡)loop 每个周期APP->>MST: ecrt_master_send()MST->>MAIN: ec_device_send()MAIN->>BUS: 发送 EtherCAT 帧BUS-->>MAIN: 返回帧MAIN-->>MST: ec_master_receive_datagrams()MST->>MST: 校验 WKC 和 link_stateMST-->>APP: ecrt_master_receive()endNote over BUS: ❌ 主线缆断开!APP->>MST: ecrt_master_send()MST->>MAIN: ec_device_send()MAIN--xMST: link_state = DOWN / 无响应MST->>MST: 检测到 link_state 变化MST->>BACKUP: 切换到备用网卡MST->>BACKUP: ec_device_send()BACKUP->>BUS: 通过备用路径发送BUS-->>BACKUP: 返回帧BACKUP-->>MST: 接收成功MST-->>APP: 数据恢复Note over MST,BUS: 冗余切换完成，继续通信
链路状态监控
Master FSM 在每次循环中监控两个网卡设备的 link_state：
ec_device_poll_link(): 轮询网卡链路状态devices[MAIN].link_state: 主网卡链路状态（0=down, 1=up）devices[BACKUP].link_state: 备用网卡链路状态- 当主线缆断开时，
link_state变为 0，触发切换
⚠ 注意
IgH 1.5.2 的冗余功能需要硬件支持：末尾从站必须具有 4 端口 ESC（或两个 2 端口 ESC），且备用网卡必须连接到从站的返回端口。当冗余拓扑中发生断线时，数据帧会自动绕行通过备用路径，但切换过程中可能有 1-2 个周期的数据丢失。
深入源码
双设备初始化
位置: master/master.c:ec_master_init() (约行 140–165)
初始化时检查是否指定了备用 MAC 地址：
master->macs[EC_DEVICE_BACKUP] = backup_macmaster->num_devices = 1 + !ec_mac_is_zero(backup_mac)- 如果备用 MAC 不为零，则
num_devices = 2 - 分别初始化
devices[0]和devices[1]
发送路径中的设备选择
位置: master/master.c:ecrt_master_send() (约行 3057–3100)
发送时遍历所有设备（主/备）：
- 检查
devices[dev_idx].link_state - 如果链路正常，调用
ec_master_send_datagrams(master, dev_idx) - 如果链路异常，跳过该设备
接收路径中的设备处理
位置: master/master.c:ecrt_master_receive() (约行 3106–3160)
- 对每个设备的接收缓冲区调用
ec_master_receive_datagrams() - 两个设备的数据报可能包含相同从站的响应（冗余场景）
- 接收处理会自动去重
ec_device 结构体关键字段
源文件: master/device.h
| 字段 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
master |
ec_master_t * |
所属主站指针 |
index |
ec_device_index_t |
设备索引 (MAIN=0, BACKUP=1) |
dev |
struct net_device * |
Linux 网络设备 |
link_state |
uint8_t |
链路状态 (0=down, 1=up) |
tx_skb |
struct sk_buff * |
发送 SKB |
tx_frame_data |
uint8_t * |
发送帧数据指针 |
poll |
void (*)(void *) |
EtherCAT 轮询回调 |
cycles_poll |
cycles_t |
上次轮询的 CPU 周期 |
jiffies_poll |
unsigned long |
上次轮询的 jiffies |