【技术分享】EtherCAT 分布式时钟简介

分布式时钟是EtherCAT技术亮点之一，其精准同步使得整个系统都运行在统一的时钟下，每个EtherCAT从站的同步性远小于1 us。本文将介绍引入分布式时钟同步的原因并阐述三种同步模式。
由于EtherCAT系统中可能存在各从站时钟计数不一致的现象，为了精确地控制从站设备何时接收输出数据和何时提供输入信息，确保数据传输的准确性和实时性，EtherCAT设备系统需要实现时间同步，而引入分布式时钟可以有效解决EtherCAT系统时钟同步问题。


  EtherCAT 网络中各个从站之间时钟计数不一致的原因

时钟偏移：由于各个站点启动顺序不同，初始化流程不同，导致各个从站本地时钟开始计数的时间不一致。
时钟漂移：受温度，物理特性等因素影响，各个时钟的晶振频率并不完全一致，因此随着运行时间的增加，原来一致的时钟也会逐渐产生偏差。

  时钟偏移和时钟漂移的解决思路1. 针对时钟偏移采取偏移补偿法

记录主站时间并广播一个锁存各从站时钟的报文；依次读取各从站被锁存的时间，计算其他从站与第一个从站的时间差；将各个从站的时钟差值附加到从站的本地时钟上。

2. 针对时钟漂移采取漂移补偿法

在从站中选择第一个支持分布式时钟功能的从站时钟作为参考时钟；在位移补偿之后，主站在每个周期中对参考时钟的时钟计数执行单读单写（RMW）的指令，读取其时间并广播到其他从站中；其他从站将自身的时间与接收到的参考时间进行对比，动态调整计数器的加值。

  分布式时钟的三种同步模式1. Free Run模式
每个从站的定时周期都不一样，在每个定时周期来到的时候，每个从站将执行自己的程序，检查通道上有没合适的输入数据，如果有合适的数据就令其有效，并放到对应的同步管理器通道上等待主站取走。如图1所示，其中T1为本地微处理器从ESC复制数据并计算输出数据的时间，T2为输出硬件延时，T3为输入锁存偏移时间。

缺点：Free Run模式下，由于每个从站的时钟快慢不一致，所以没有任何同步性可言。



图1 Free Run同步模式
2. SM同步机制（Sync Manager同步管理器）
SM指的是同步管理器同步，当数据帧在到达对应的从站的时候，会触发一个叫同步管理器事件的信号，当从站接收到这个信号的时候，会进行中断服务例程（即中断保存当期任务，去执行插入的中断例程）。换言之，SM同步模式是根据数据帧到达特定从站的时候触发的SM事件信号来进行同步。
缺点：对于特定的帧来说，它到达每一个从站的时间必然不同，当系统很庞大的时候，每个从站接收到数据帧的时间会相差很大，越在后边的从站接收到数据帧的时间越晚，同步性效果越差。


图2 SM同步模式
3. DC同步机制
这种模式就是高精度的时间同步模式。如图3所示，数据帧在SYNC信号提前T1时间到达，从站在SYNC事件之前已经完成数据交换和控制计算，当接收SYNC信号后立即执行输出操作，从而提高了同步性能。可以理解为某个从站数据帧到达后不立即处理，因为有些从站还没接收到数据，等待一个指定的时间，和其他从站一起处理数据，这时候能够达到较好的同步效果。



图3 DC同步模式

  快速配置分布式时钟ZLG致远电子推出了一系列高性能EtherCAT主站控制器和PCIe EtherCAT通讯卡，为了方便用户的使用，这些EtherCAT主站控制器和通讯卡均提供全面的上位机配置软件AWStudio。用户可以通过AWStudio快速扫描从站设备，并可灵活配置分布式时钟。


图4 AWStudio 分布式时钟配置界面AWStudio分布式时钟配置步骤：

首先打开分布式时钟使能；

然后选择参考时钟，可以选择主站或者某一个从站作为参考时钟，通常以第一个从站作为参考时钟；

最后设置同步偏移时间，同步偏移时间（Toffset）根据以下公式计算：

其中，T2(n)为由主站发送时钟报文到达第n个从站的时间，T1为第一个从站作为参考时钟的时间，Tdelay(n)为参考时钟到各从站的传输延时。
广州致远电子以EtherCAT工业以太网协议为向导，开发了一系列EtherCAT主站控制器和通讯卡。这些EtherCAT主站控制器和PCIe EtherCAT通讯卡可以快速、有效、便捷地构建数控智能化设备。通过支持固件更新、配置文件下载、数据记录与监控、远程控制与诊断、分布式文件系统等功能，更能够适应工厂智能化、信息化产业的需求。
表1 EtherCAT主站控制器



图5 EtherCAT主站控制器系统框图表2 PCIe EtherCAT主站通讯卡



图6 PCIe EtherCAT通讯卡


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