【技術(shù)分享】EtherCAT 分布式時(shí)鐘簡(jiǎn)介

分布式時(shí)鐘是EtherCAT技術(shù)亮點(diǎn)之一，其精準(zhǔn)同步使得整個(gè)系統(tǒng)都運(yùn)行在統(tǒng)一的時(shí)鐘下，每個(gè)EtherCAT從站的同步性遠(yuǎn)小于1 us。本文將介紹引入分布式時(shí)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(shí)鐘計(jì)數(shù)不一致的現(xiàn)象，為了精確地控制從站設(shè)備何時(shí)接收輸出數(shù)據(jù)和何時(shí)提供輸入信息，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，EtherCAT設(shè)備系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，而引入分布式時(shí)鐘可以有效解決EtherCAT系統(tǒng)時(shí)鐘同步問(wèn)題。

?EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)從站之間時(shí)鐘計(jì)數(shù)不一致的原因

• 時(shí)鐘偏移：由于各個(gè)站點(diǎn)啟動(dòng)順序不同，初始化流程不同，導(dǎo)致各個(gè)從站本地時(shí)鐘開始計(jì)數(shù)的時(shí)間不一致。

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

?時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘漂移的解決思路1. 針對(duì)時(shí)鐘偏移采取偏移補(bǔ)償法

• 記錄主站時(shí)間并廣播一個(gè)鎖存各從站時(shí)鐘的報(bào)文；
• 依次讀取各從站被鎖存的時(shí)間，計(jì)算其他從站與第一個(gè)從站的時(shí)間差；
• 將各個(gè)從站的時(shí)鐘差值附加到從站的本地時(shí)鐘上。

2. 針對(duì)時(shí)鐘漂移采取漂移補(bǔ)償法

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

?分布式時(shí)鐘的三種同步模式1. FreeRun模式

每個(gè)從站的定時(shí)周期都不一樣，在每個(gè)定時(shí)周期來(lái)到的時(shí)候，每個(gè)從站將執(zhí)行自己的程序，檢查通道上有沒(méi)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(duì)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(jì)算輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間，T2為輸出硬件延時(shí)，T3為輸入鎖存偏移時(shí)間。

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

圖1FreeRun同步模式

2. SM同步機(jī)制（SyncManager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(duì)應(yīng)的從站的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)一個(gè)叫同步管理器事件的信號(hào)，當(dāng)從站接收到這個(gè)信號(hào)的時(shí)候，會(huì)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(shí)候觸發(fā)的SM事件信號(hào)來(lái)進(jìn)行同步。

缺點(diǎn)：對(duì)于特定的幀來(lái)說(shuō)，它到達(dá)每一個(gè)從站的時(shí)間必然不同，當(dāng)系統(tǒng)很龐大的時(shí)候，每個(gè)從站接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)間會(huì)相差很大，越在后邊的從站接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)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(shí)間同步模式。如圖3所示，數(shù)據(jù)幀在SYNC信號(hào)提前T1時(shí)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(jì)算，當(dāng)接收SYNC信號(hào)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(gè)從站數(shù)據(jù)幀到達(dá)后不立即處理，因?yàn)橛行恼具€沒(méi)接收到數(shù)據(jù)，等待一個(gè)指定的時(shí)間，和其他從站一起處理數(shù)據(jù)，這時(shí)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(shí)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(guò)AWStudio快速掃描從站設(shè)備，并可靈活配置分布式時(shí)鐘。

圖4AWStudio分布式時(shí)鐘配置界面AWStudio分布式時(shí)鐘配置步驟：

首先打開分布式時(shí)鐘使能；

然后選擇參考時(shí)鐘，可以選擇主站或者某一個(gè)從站作為參考時(shí)鐘，通常以第一個(gè)從站作為參考時(shí)鐘；

最后設(shè)置同步偏移時(shí)間，同步偏移時(shí)間（Toffset）根據(jù)以下公式計(jì)算：

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

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表1 EtherCAT主站控制器圖5 EtherCAT主站控制器系統(tǒng)框圖表2PCIeEtherCAT主站通訊卡