【技術(shù)分享】EtherCAT 分布式時鐘簡介

分布式時鐘是EtherCAT技術(shù)亮點(diǎn)之一，其精準(zhǔn)同步使得整個系統(tǒng)都運(yùn)行在統(tǒng)一的時鐘下，每個EtherCAT從站的同步性遠(yuǎn)小于1 us。本文將介紹引入分布式時鐘同步的原因并闡述三種同步模式。

由于EtherCAT系統(tǒng)中可能存在各從站時鐘計數(shù)不一致的現(xiàn)象，為了精確地控制從站設(shè)備何時接收輸出數(shù)據(jù)和何時提供輸入信息，確保數(shù)據(jù)傳輸的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，EtherCAT設(shè)備系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)時間同步，而引入分布式時鐘可以有效解決EtherCAT系統(tǒng)時鐘同步問題。

EtherCAT?網(wǎng)絡(luò)中各個從站之間時鐘計數(shù)不一致的原因

時鐘偏移：由于各個站點(diǎn)啟動順序不同，初始化流程不同，導(dǎo)致各個從站本地時鐘開始計數(shù)的時間不一致。

時鐘漂移：受溫度，物理特性等因素影響，各個時鐘的晶振頻率并不完全一致，因此隨著運(yùn)行時間的增加，原來一致的時鐘也會逐漸產(chǎn)生偏差。

時鐘偏移和時鐘漂移的解決思路1. 針對時鐘偏移采取偏移補(bǔ)償法

記錄主站時間并廣播一個鎖存各從站時鐘的報文；依次讀取各從站被鎖存的時間，計算其他從站與第一個從站的時間差；將各個從站的時鐘差值附加到從站的本地時鐘上。

2. 針對時鐘漂移采取漂移補(bǔ)償法

在從站中選擇第一個支持分布式時鐘功能的從站時鐘作為參考時鐘；在位移補(bǔ)償之后，主站在每個周期中對參考時鐘的時鐘計數(shù)執(zhí)行單讀單寫（RMW）的指令，讀取其時間并廣播到其他從站中；其他從站將自身的時間與接收到的參考時間進(jìn)行對比，動態(tài)調(diào)整計數(shù)器的加值。

分布式時鐘的三種同步模式

1. Free?Run模式

每個從站的定時周期都不一樣，在每個定時周期來到的時候，每個從站將執(zhí)行自己的程序，檢查通道上有沒合適的輸入數(shù)據(jù)，如果有合適的數(shù)據(jù)就令其有效，并放到對應(yīng)的同步管理器通道上等待主站取走。如圖1所示，其中T1為本地微處理器從ESC復(fù)制數(shù)據(jù)并計算輸出數(shù)據(jù)的時間，T2為輸出硬件延時，T3為輸入鎖存偏移時間。

缺點(diǎn)：Free Run模式下，由于每個從站的時鐘快慢不一致，所以沒有任何同步性可言。

圖1?Free?Run同步模式

2. SM同步機(jī)制（Sync?Manager同步管理器）

SM指的是同步管理器同步，當(dāng)數(shù)據(jù)幀在到達(dá)對應(yīng)的從站的時候，會觸發(fā)一個叫同步管理器事件的信號，當(dāng)從站接收到這個信號的時候，會進(jìn)行中斷服務(wù)例程（即中斷保存當(dāng)期任務(wù)，去執(zhí)行插入的中斷例程）。換言之，SM同步模式是根據(jù)數(shù)據(jù)幀到達(dá)特定從站的時候觸發(fā)的SM事件信號來進(jìn)行同步。

缺點(diǎn)：對于特定的幀來說，它到達(dá)每一個從站的時間必然不同，當(dāng)系統(tǒng)很龐大的時候，每個從站接收到數(shù)據(jù)幀的時間會相差很大，越在后邊的從站接收到數(shù)據(jù)幀的時間越晚，同步性效果越差。

圖2 SM同步模式

3. DC同步機(jī)制

這種模式就是高精度的時間同步模式。如圖3所示，數(shù)據(jù)幀在SYNC信號提前T1時間到達(dá)，從站在SYNC事件之前已經(jīng)完成數(shù)據(jù)交換和控制計算，當(dāng)接收SYNC信號后立即執(zhí)行輸出操作，從而提高了同步性能。可以理解為某個從站數(shù)據(jù)幀到達(dá)后不立即處理，因?yàn)橛行恼具€沒接收到數(shù)據(jù)，等待一個指定的時間，和其他從站一起處理數(shù)據(jù)，這時候能夠達(dá)到較好的同步效果。

圖3 DC同步模式

? 快速配置分布式時鐘

ZLG致遠(yuǎn)電子推出了一系列高性能EtherCAT主站控制器和PCIe EtherCAT通訊卡，為了方便用戶的使用，這些EtherCAT主站控制器和通訊卡均提供全面的上位機(jī)配置軟件AWStudio。用戶可以通過AWStudio快速掃描從站設(shè)備，并可靈活配置分布式時鐘。

圖4?AWStudio?分布式時鐘配置界面AWStudio分布式時鐘配置步驟：

首先打開分布式時鐘使能；

然后選擇參考時鐘，可以選擇主站或者某一個從站作為參考時鐘，通常以第一個從站作為參考時鐘；

最后設(shè)置同步偏移時間，同步偏移時間（Toffset）根據(jù)以下公式計算：

其中，T2(n)為由主站發(fā)送時鐘報文到達(dá)第n個從站的時間，T1為第一個從站作為參考時鐘的時間，Tdelay(n)為參考時鐘到各從站的傳輸延時。

廣州致遠(yuǎn)電子以EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為向?qū)?，開發(fā)了一系列EtherCAT主站控制器和通訊卡。這些EtherCAT主站控制器和PCIe EtherCAT通訊卡可以快速、有效、便捷地構(gòu)建數(shù)控智能化設(shè)備。通過支持固件更新、配置文件下載、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制與診斷、分布式文件系統(tǒng)等功能，更能夠適應(yīng)工廠智能化、信息化產(chǎn)業(yè)的需求。

表1 EtherCAT主站控制器

圖5 EtherCAT主站控制器系統(tǒng)框圖表2?PCIe?EtherCAT主站通訊卡

圖6 PCIe EtherCAT通訊卡