[C/C++] 基于RT-Thread与EtherCAT的伺服电机控制系统：集成机械臂与Web3D可视化

本项目构建了一个集成了RT-Thread实时操作系统的运动控制系统原型。系统通过双总线架构控制伺服电机与IO设备，并提供了基于Web的3D可视化监控界面。

核心功能架构

• 前端可视化层：采用 Three.js 技术栈，在Web端实现了机械臂运行状态的3D实时展示。
• 通信层：系统通过 MQTT 协议与主控设备进行双向数据交互，构建了稳定的上下行通信链路。
• 控制层（睿擎派）：
  • 通过 EtherCAT 总线 驱动伺服系统，实现对电机的精准位置、速度闭环控制，从而驱动机械臂完成指定动作。
  • 通过 Modbus RTU 总线 连接IO模块，控制外围设备（如灯具）的开关状态。

RT-Thread使用情况

系统基于以RT-Thread为核心的睿擎工业平台进行开发，硬件主控模块为睿擎派，开发环境为RuiChing Studio。该平台是针对工业场景设计的软硬件一体化方案，整合了数据采集、通信、控制、工业协议、AI及显示六大功能。

本系统的嵌入式软件开发，融合了三个官方示例工程：

1. 03_network_mqtt
2. 06_bus_modbus_rtu_master
3. 06_bus_ethercat_master_csp

硬件选型

1. 主控系统：睿擎派
   
2. 伺服驱动器：汇川 IS620NS1R6I
   
3. 伺服电机：汇川 ISMH1 20B30CB
   
4. IO模块：叶帆科技 YF3210-Q4 四路继电器模块
   
5. 执行器：12V-24V LED灯泡
   

硬件连接拓扑

通信协议约定

WEB前端与睿擎派设备通过MQTT协议通信，主要实现远程控制伺服电机启停、速度、方向以及灯光开关。

1. 南向控制指令（JSON格式）
由Web端发布至Topic: /mqtt/command

{
  “cmd”: “state”,
  “argv”: 0
}

• cmd 与 argv 对应关系：
  • “state” – 电机状态 (0:停止， 1:运行)
  • “dir” – 运转方向 (0:逆时针， 1:顺时针)
  • “pos” – 运转步长/脉冲数 (建议范围：1000 ~ 10000)
  • “led” – 灯状态 (0:关闭， 1:打开)

2. 北向状态上报（JSON格式）
由设备端每秒发布至Topic: /mqtt/message

{
  “state”: 0,        //电机状态
  “dir”: 0,          //运转方向
  “pos”: 1000,       //目标步长（脉冲）
  “led”: 0,          //灯状态
  “error_word”: 0,   //故障字
  “status_word”: 0,  //伺服运行状态字
  “cur_pos”: 0,      //电机当前位置（脉冲）
  “cur_speed”: 0,    //电机当前限速（脉冲/秒）
  “cur_torque”: 0,   //电机当前转矩
  “voltage”: 0.0,    //母线电压
  “current”: 0.0,    //相电流
  “temp”: 0.0,       //电机温度
  “speed”: 0         //实际转速(rpm)
}

• status_word 说明：
  • 0x0023：伺服已上电，就绪
  • 0x0027：伺服准备运行
  • 0x0037：伺服正在运行
  • 0x0080：伺服故障

软件开发详解

一、 睿擎派嵌入式系统开发

(1) 新建项目
基于较为复杂的 06_bus_ethercat_master_csp 示例工程创建新项目 YFMechPilot，并额外集成MQTT与Modbus RTU功能。

(2) 配置以太网接口
修改默认网口0的IP地址等信息，以适配实际网络环境，并部署到睿擎派硬件。

(3) 集成功能模块
从 06_bus_modbus_rtu_master 和 03_network_mqtt 项目中分别拷贝 modbus_rtu_master_example.c 与 paho_mqtt_example.c 文件至本项目，并重命名为 modbus_rtu_master.c 和 paho_mqtt.c。

(4) 关键代码修改
1. Modbus RTU控制LED (modbus_rtu_master.c)
增加函数，通过Modbus RTU协议控制继电器模块的第二路通道，实现对LED灯的开闭控制。

int led_control(int state){
    modbus_t *ctx;
    int rc;
    led_status = state;
    ctx = modbus_new_rtu(“/dev/uart5”, 9600, ‘N’, 8, 1);
    if (ctx == NULL){
        rt_kprintf(“Unable to create the libmodbus context\n”);
        return -1;
    }
    modbus_set_slave(ctx, 1);
    modbus_set_response_timeout(ctx, 1, 0);
    modbus_rtu_set_serial_mode(ctx, MODBUS_RTU_RS485);
    modbus_rtu_set_rts(ctx, RS485_RTS_PIN, MODBUS_RTU_RTS_UP);
    if (modbus_connect(ctx) == -1){
        rt_kprintf(“Connection failed\n”);
        modbus_free(ctx);
        return -1;
    }
    // 控制第二路继电器
    rc = modbus_write_bit(ctx,1,state);
    if (rc == -1){
        rt_kprintf(“Failed to modbus_write_bit\n”);
        modbus_close(ctx);
        modbus_free(ctx);
        return -1;
    }
    rt_kprintf(“modbus_write_bit rc=%d\n”, rc);
    modbus_close(ctx);
    modbus_free(ctx);
    return 0;
}

2. MQTT客户端配置与消息处理 (paho_mqtt.c)

• 配置MQTT服务器地址（可使用EMQ提供的公共测试服务器）。
• 修改订阅与发布主题。

  #define MQTT_SUBTOPIC “/mqtt/command”
  #define MQTT_PUBTOPIC “/mqtt/message”

• 在 mqtt_sub_callback 函数中，解析Web端下发的JSON控制指令，并执行相应操作（控制电机状态、方向、步长及LED）。

  static void mqtt_sub_callback(MQTTClient *c, MessageData *msg_data){
  // … (JSON解析与字段校验)
  const char *cmd = cmd_item->valuestring;
  int argv = argv_item->valueint;
  // 根据cmd执行不同控制逻辑
  if (strcmp(cmd, “state”) == 0){
      servo_run = argv; // 控制启停
  } else if (strcmp(cmd, “dir”) == 0){
      servo_dir = argv; // 控制方向
  } else if (strcmp(cmd, “pos”) == 0){
      if (argv >= 1000 && argv <= 10000){
          motor_v = argv; // 设置步长（速度）
      }
  } else if (strcmp(cmd, “led”) == 0){
      if (argv == 0 || argv == 1){
          led_control(argv); // 控制LED
      }
  }
  cJSON_Delete(root);
  }

3. EtherCAT主站数据扩展 (ethercat_csp.c)

• 扩展TPDO结构体，增加母线电压、相电流、电机温度、实际转速等监控字段。

  struct tpdo_csp{
  uint16_t error_word;
  uint16_t status_word;
  int32_t cur_pos;
  int32_t cur_speed;
  int16_t cur_torque;
  // 新增字段
  uint16_t voltage; // 母线电压 (0.1V)
  int16_t current; // 相电流 (0.1A)
  uint16_t temp; // 电机温度 (1℃)
  int16_t speed; // 实际转速 (rpm)
  };

• 对应扩展 slave1_input_pdo_entries 和 slave_pdos 的定义。
• 在主控制循环中，每隔1秒将伺服驱动器的实时状态数据（包括扩展字段）封装到消息中，通过RT-Thread的邮箱机制发送给专门的数据上报任务，避免阻塞电机控制。

  if (rt_tick_get() – last_ms > 1000){
  last_ms = rt_tick_get();
  servo_status_msg_t *msg = rt_malloc(sizeof(servo_status_msg_t));
  if (msg != RT_NULL){
      rt_enter_critical();
      // 拷贝所有状态数据到msg
      msg->servo_run = servo_run;
      msg->error_word = tmap->error_word;
      // … (拷贝其他字段)
      msg->speed = tmap->speed;
      rt_exit_critical();
      rt_mb_send(status_mailbox, (rt_ubase_t)msg); // 发送到邮箱
  }
  }

• 创建独立的 servo_status_task 任务，从邮箱接收数据，转换为JSON格式后通过MQTT发布，实现了控制与上报的解耦。

  static void servo_status_task(void *param){
  servo_status_msg_t *msg = RT_NULL;
  while (1){
      // 等待邮箱消息
      if (rt_mb_recv(status_mailbox, (rt_ubase_t *)&msg, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK){
          char *json_str = msg_to_json(msg); // 生成JSON
          if (json_str != NULL){
              mq_publish(json_str); // MQTT发布
              rt_free(json_str);
          }
          rt_free(msg); // 释放内存
      }
  }
  }

二、 Web前端开发（Vue 3 + Three.js）

前端系统构建了一个集3D可视化、远程控制、实时监控于一体的Web应用。

1. 核心目标

• 直观展示伺服电机与机械臂的运行状态。
• 提供人机交互界面，远程执行启停、调速、换向、灯光控制。
• 通过MQTT实时同步设备数据，驱动3D场景联动更新。
• 具备通信异常检测与自动安全处理机制。

2. 技术栈与架构

• 框架：Vue 3 (Composition API) 负责UI与状态管理。
• 3D渲染：Three.js 用于加载模型（FBX）、构建场景、控制动画。
• 通信：mqtt.js 库连接MQTT服务器，实现双向通信。
• 数据流：
  • 下行：订阅 /mqtt/message，解析设备状态，更新Vue响应式数据并驱动3D动画。
  • 上行：用户操作触发 sendMqttCommand，发布 {cmd, argv} 到 /mqtt/command。

3. 关键功能实现

• 3D场景与动画：使用 AnimationMixer 控制电机与机械臂模型动画，速度(pos)、方向(dir)实时映射到动画的 timeScale。
• 状态联动：根据 status_word 切换运行状态提示；根据 led 状态控制场景中点光源与灯泡模型明灭。
• 控制面板：提供按钮组件，调用 sendMqttCommand 发送对应指令。
• 数据监控面板：实时显示转速、扭矩、电压、温度等数据，并将状态码转换为中文描述。
• 安全机制：设置心跳超时检测（3秒），超时或MQTT连接断开时自动停止所有动画并告警。

系统演示与部署

效果展示

部署与运行步骤

1. 将编译好的嵌入式程序部署到睿擎派。
2. 在睿擎派终端依次执行：

   mqtt_init    # 初始化MQTT连接
   ect_csp      # 初始化EtherCAT主站与伺服驱动器

   

3. 在浏览器中打开Web前端应用URL。
4. 在Web界面中进行电机启停、调速、换向、灯光开关等操作，观察3D机械臂的同步响应与实时数据变化。
   

演示视频与代码

• 演示视频：B站视频链接
  
• 嵌入式源码：Gitee仓库
• Web前端源码：百度网盘 (提取码: mmsw)

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