在現(xiàn)有計算機操作系統(tǒng)中，Linux和Windows是應用最為廣泛的操作系統(tǒng)，在工業(yè)自動化與工業(yè)互聯(lián)網領域也被廣泛應用。Windows依靠其較為友好而強大的圖形化界面幫助使用者降低學習成本及提高人機交互性，但很遺憾的是，Windows操作系統(tǒng)通常難以在實時性要求高的工業(yè)應用場景中使用。因此，Windows實時擴展方案也就成為了部分用戶的迫切需求。

為幫助需要在Windows實現(xiàn)實時擴展的從業(yè)人員，來自德國的Acontis公司帶來了成熟、可靠且高效的實時擴展方案，針對不同且更細致的需求，給出了相應的方案供用戶選擇。接下來本文將簡單介紹Acontis公司、講解其方案并表現(xiàn)其特點，助力相關項目的實現(xiàn)和落地。

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公司簡介

來自德國的Acontis公司是最早研究應用工業(yè)互聯(lián)網總線協(xié)議的一批方案服務提供商，該公司在2004年即加入了EtherCAT 技術協(xié)會（ETG）。在長期的支持與服務中，Acontis逐漸意識到Windows實時擴展技術的必要性與其可觀的前景，因此研發(fā)推出了EC-Win這一個可以讓用戶在Windows系統(tǒng)上，實現(xiàn)專業(yè)、開放的實時EtherCAT平臺的解決方案。經多年的研發(fā)積累和市場化應用，Windows實時擴展方案已成為其重要的技術服務之一，在業(yè)界受到了廣泛的關注，也收獲了良好的口碑。

盟通科技作為Acontis公司在中國區(qū)的唯一合作伙伴，促進了EthehrCAT相關技術的推廣和分享，為進一步的雙贏乃至多贏奠定了堅實基礎。盟通科技樂于幫助每一位有需要的用戶，來幫助實現(xiàn)EtherCAT技術與Windows實時擴展等需求。

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EC-Win：一款基于EtherCAT的實時方案

盟通科技推出了為Windows系統(tǒng)提供專業(yè)開放的實時EtherCAT平臺解決方案——EC-Win。其核心組件是強大的EC-Master主站，該主站經過專門優(yōu)化和驗證，與可靠的Windows實時技術與虛擬機管理程序等配套技術完美匹配。

▲圖 1EC-Win結構示意圖

EC-Win解決方案的硬件平臺采用了多核系統(tǒng)，方案中的Windows系統(tǒng)在獨立的CPU核心上運行，EtherCAT主節(jié)點和實時應用程序則在另外的核心運行?？焖偾医涍^優(yōu)化處理的Inter和Realtak網絡控制器驅動為方案的高實時性保駕護航；另一方面，EC-Win對虛擬機的集成確保了實時應用程序與EtherCAT從站的同步、本地PC定時器與EtherCAT從站的分布時間同步，是EC-Win方案實時性的重要保障。為幫助用戶診斷和監(jiān)測，EC-Win推出了針對性的診斷工具EC-Lyser，全方位的保證方案的實時性。

EC-Win解決方案支持微軟的Visual Studio，用戶可以使用Visual Studio作為開發(fā)和調試的工具，將Windows應用開發(fā)部分與實時應用開發(fā)部分相整合，避免昂貴的擴展控制卡、虛擬機管理程序或其他更加昂貴的的Windows實時擴展方案。

EC-Win解決方案通過隔離的方法來處理實時應用程序和非實時的Windows部分。與使用專有RTOS或全實時環(huán)境不同，此解決方案在隱藏的實時虛擬化解決方案之上嵌入了標準的實時環(huán)境。這個虛擬化環(huán)境是關鍵，與傳統(tǒng)的實時擴展相比，它可以更好地讓實時應用程序與Windows系統(tǒng)隔離。這樣一來可以有效防止發(fā)生系統(tǒng)故障等問題，更好地幫助用戶的開發(fā)工作。

▲圖2為EC-win原理架構圖

總結下來，EC-Win具有以下特點：

● 集成式虛擬機管理程序：將Windows系統(tǒng)和實時部分（操作系統(tǒng)）完全隔離，有效避免Windows 系統(tǒng)故障（藍屏）。

●對實時部分提供標準支持：為搶占式多任務、線程、事件、信號量、互斥鎖等提供Win32編程示例。

●支持32位或64位模式：支持多種模式的Windows系統(tǒng)。

●快速高分辨率的系統(tǒng)定時器（分辨率低于 10 納秒）：其中斷頻率最高可達20kHz。

● Windows系統(tǒng)和實時部分均可運行于多個CPU內核（SMP：對稱多處理）：這對于四核或其他多核CPU尤其重要。

● Windows和實時部分之間采用虛擬TCP/IP網絡：因此，可以使用EtherCAT診斷的全部功能。

●支持Microsoft Visual Studio的舒適開發(fā)和調試環(huán)境：可以通過以太網進行遠程調試。

另外，EC-Win還提供了一個適配的管理程序來幫助用戶管理，其程序頁面如下圖，該程序具有諸如將兼容 EtherCAT 的硬件分配給實時環(huán)境；為實時環(huán)境分配其他硬件；Windows和實時環(huán)境的 CPU 分配和內存配置可通過GUI完成等獨有功能。

▲圖3 EC-Win管理工具

03

LxWin：并行運行Linux

——Windows擴展新方案

如果說EC-Win是更偏向于于EtherCAT的實時方案的話，那么Lxwin則是更具有普適性的實時方案。

LxWin解決方案是將一個實時的Linux系統(tǒng)和Windows一起運行在同一個系統(tǒng)上。LxWin同樣使用了一個分離的方法，把實時應用和非實時的Windows部分隔開：LxWin在虛擬機環(huán)境中嵌入了一個Linux硬實時內核，使用LxWin提供的虛擬機管理程序，可以并行運行和實時管理Windows和極快的實時Linux系統(tǒng)。

作為LxWin解決方案的重要組成部分，Linux是在工業(yè)領域應用最為廣泛的實時操作系統(tǒng)，由于Linux確定的硬實時行為、包含多樣的開發(fā)工具以及對硬件驅動程序和軟件的廣泛支持，領先的工業(yè)控制器制造商廣泛使用Linux作為實時開發(fā)環(huán)境，典型應用是具有高實時要求的PLC、運動控制和數(shù)字控制系統(tǒng)。

▲圖4 EC-Win介紹

如果客戶當前使用的解決方案將Windows的GUI系統(tǒng)和基于Linux的控制器模塊分為2 個不同的部分，且需要將二者整合，那么，LxWin 是將此類解決方案整合到一個硬件上的特有方法。進而使Eclipse或Microsoft Visual Studio（從VS 2015開始）可用于Linux的實時軟件開發(fā)中。

LxWin具有的最顯著的優(yōu)點有：

●硬件整合：節(jié)省第二個控制器系統(tǒng)或智能插件卡，提高了平均無故障時間。

●利用Linux的實時特性，可以實現(xiàn)微秒級的響應時間。

●軟件兼容?？梢栽谕粋€系統(tǒng)上運行Windows和Linux的應用程序，包括支持EtherCAT等實時通信協(xié)議的軟件。

不同于LxWin直接將Linux作為是實時內核，在當前的實時開發(fā)領域，部分Windows實時擴展方案是通過讓專有的實時環(huán)境與 Windows 并行（有時甚至嵌入到 Windows 中）來實現(xiàn)實時功能的擴展。實時擴展環(huán)境的開發(fā)者往往需要多方面綜合考慮專有環(huán)境的可用性。這對于使用者來說是一個不小的挑戰(zhàn)，因為用戶們可能需要重新學習并使用該 Windows 實時擴展的專有環(huán)境來開發(fā)實時應用程序。開發(fā)人員必須依靠實時內核或環(huán)境的供應商提供的功能來決定要實現(xiàn)的功能，有時可能會耗費大量時間調試，甚至最終可能導致功能的缺失。

盟通科技推出的 LxWin 的優(yōu)勢就在于，開發(fā)人員根本不需要理會 Linux 內核配置和構建， LxWin 附帶的 Linux 內核已經提供補丁、配置和硬實時內核的測試功能，最終可以實現(xiàn)非常短的Cycle time，最短可低至50微秒。Linux的優(yōu)勢除了作為實時內核之外，Linux 本身帶來的可用優(yōu)勢也有很多，如：Socket 套接字接口，完整的 POSIX API，用戶空間/內核空間隔離，多任務處理和多進程等復雜功能。

當今市場上，幾乎所有的硬件的驅動程序都適配 Linux系統(tǒng)，這意味著開發(fā)人員無需等待供應商實現(xiàn)或發(fā)布特定的驅動程序。另外，借助 Linux 可以使用大量的軟件庫、協(xié)議棧和中間件（包括開源代碼和封閉源代碼的商業(yè)產品）：C++ STL、Boost、Corba、OPC / UA、DDS、AVB / TSN、EtherCAT、PROFINET、基于軟件的 PLC、運動控制庫、CNC解決方案等等。

盟通科技推出LxWin 附帶的所有 Linux 組件代碼也是開源的。如有需要，客戶可以深入調試內核，即 LxWin 的客戶可以獲得整個 Linux 源代碼的解決方案，以確保其對軟件的最大控制權。同EC-Win一樣，Lxwin完全支持研發(fā)人員使用 Microsoft Visual Studio進行實時應用程序的軟件開發(fā)和調試工作。

審核編輯 ：李倩