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保持对技术的好奇心，拓宽知识的边界，提高认识的分辨率
这不是一篇严谨的学术论文，而是从工业应用的角度讲述作者对EtherCAT分布时钟技术的理解。作为EtherCAT应用而不是开发人员，对该技术的很多描述未免流于肤浅。我愿意踏踏实实，学以致用，通过文字将谬误显现并得到专业人员指正，通过文字介绍应用经验和可能性分析，涉及面广而浅，相信所有工控同行都能看懂并能在自己熟悉的领域进行更精采更深入的演绎。
关于以下主题，读者若要了解更详细的信息，请阅读我的文档分享网址：
http://www.baclizzy.com.cn/20180422 EtherCAT 优化设置
1_EtherCAT Functional Principle_cn
Page3: ESC的结构和功能原理
3_EtherCAT Synchronization –cn.pdf
Page6-12: 三种同步模式的区别
Page27: 精确计算EtherCAT网络的刷新时间
Page61-66: DC同步的过程
Page71-83: 不同网络之间的DC同步
摘要：本文详细阐述了EtherCAT分布时钟技术的原理，介绍了分布时钟组件的工作模式以及实现该技术的硬件产品。以理论联系实际的方式，阐述了在通用控制平台上实现亚微秒级时钟同步功能的可行性，以及该技术为通用制造业带来的广阔前景。本文还列举了多种工业现场应用，说明如何利用EtherCAT分布时钟技术实现更高的自动化水平。
内容分节如下：
0. 引言
1. EtherCAT工业以太网的原理
a) 基于IEEE802.3 标准以太网通讯的单主站设计
b) 网络节点寻址和从站处理数据包的机制
c) 数据包刷新时间的计算
d) 一网到底,直达IO模块
2. EtherCAT分布时钟技术
3. EtherCAT 从站的分布时钟工作模式
Free Run
synchronize with SM event
synchronize with SYNC event
4. 基于DC时钟的亚微秒级信号捕捉和精确控制
a) 亚微秒级的信号捕捉
b) 亚微秒级精确控制
5. 基于DC时钟的微秒级超采样技术
a) 超采样技术的细分倍数
b) 超采样数字量模块的应用
c) 微秒级模拟量超采样的应用
d) 超采样电力测量模块：
e) 超采样编码器模块
6. EtherCAT跨网络和跨系统DC时钟同步
同一控制器多个网络之间的DC同步
多个控制器之间的DC同步
不同区域不同系统之间的DC同步
7. 结论
(*正文超过10000字，请挑选感兴趣的部分阅读*)
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http://www.baclizzy.com.cn/20180512 EtherCAT 分布时钟技术及工业应用
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0 引言
说到时钟同步，人们往往会联想到测控领域和通信领域。在这些领域时钟同步精度直接影响到系统性能指标甚至整个系统的可用性，必须采用价格昂贵的专业设备来实现ns级的时钟同步。随着科技的发展，制造领域也产生了时钟同步的需求。为了提高生产节拍和产品质量，即提高单机设备的速度和精度，各个动作单元和传感器必须分毫不差地协调动作。而大型产线上的多个控制器为了精确地协同动作，也必须基于同一个时间基准交换数据。单机和产线的协同动作就分别提出了控制系统内时钟同步和跨系统时钟同步的需求。
然而，即使在高端制造领域也承受不了通信或者测控领域专业设备的价格。进入21世纪以来，现场级通讯技术日趋成熟和普及，高速传感器和执行器也大量用于商业用途，但始终没有很好地解决不同设备之间的时钟同步问题，时钟同步精度就成了通用制造领域制约设备性能进一步提高的瓶颈。EtherCAT总线和基于EtherCAT的分布时钟技术则打破了这一瓶颈，在通用控制系统的价格水平上实现了0.1µs级别的同步精度，为通用制造水平上一个新台阶提供了技术可能性。本文旨在介绍EtherCAT分布时钟技术的原理以及它用于工业现场时可以达到的设备性能。
1. EtherCAT工业以太网的原理
a.基于IEEE802.3 标准以太网通讯的单主站设计
EtherCAT总线基于100M以太网，采用主从设计。EtherCAT主站的硬件使用标准的以太网卡，从站则使用专门的ASIC或者FPGA芯片来处理EtherCAT数据包。
EtherCAT使用标准的以太网帧（IEEE802.3），但采用了单主站设计。整个网络里面，只有主站有权决定何时发出数据包，而所有从站只有等待数据包经过的时候，才能提取和插入自己的数据，如图所示：
一个最简单的EtherCAT从站芯片，只有入口（PortA）和出口（Port B）。如图所示：
有的EtherCAT从站有3个端口：入口（Port A）、出口1（Port B）、出口2（Port C）。如图所示：
有的EtherCAT从站有4个端口：入口（Port A）、3个出口（Port B、C、D）。如图所示：
无论出口有几个，入口总是一个，而数据包的流向总是固定的。来自主站的数据包总是从Port A，经过EtherCAT Processing Unit 传到第1个出口，如果有的话再依次传到第2、3个出口，再到下一个从站的入口Port A。到达最后一个从站后原路返回主站的数据包，则从这个从站的末出口返回到本站的入口Port A，再到上一个从站的末出口。因为一个EtherCAT网络里只有一个主站，而主站控制着所有数据包的发起，所以系统里面不会有数据包冲突。所以只要网络的拓普结构配置完成，每个从站的过程数据大小确定了，整个数据包的大小以及它在网络中通行的路径也就确定了，所以整个网络的通讯时间也就确定了。
b.网络节点寻址和从站处理数据包的机制
通常情况下，主站基于设备在网络中的物理连接顺序来识别从站。EtherCAT主站在网络初始化阶段会告知每个从站它的过程数据在数据包中的起始字节和长度。数据包经过从站接口芯片时，非本单元数据直接放行通过，从本单元的数据起始字节开始，EtherCAT芯片把指定字节数复制到自己的输入缓存区，并把早已准备在自己输出缓存区的数据插入到数据包中。整个数据包到达最后一个从站再原路返回到主站，所有从站就提取了来自主站的输出数据，而主站也得到了来自所有从站的输入数据，这就是过程数据的一次完整的刷新过程。
注意，EtherCAT主站可以配置从站的Input和Output数据在数据包中为使用同一个数据段还是两个数据段。Beckhoff公司控制软件TwinCAT中就默认从站的Input和Output使用同一数据段，数据包进入从站时该数据段包含的是主站送来的Output数据，离开时则包含送回主站的Input数据，这个设置可以让通讯更加高效。如果Input和Output数据长度不同，Frame中会预留较长的字节数。
c.数据包刷新时间的计算
数据包中所有从站的Process Data数据决定了数据包的长度。一个Ethernet数据包最小84字节，不足84字节会补齐84字节。由于EtherCAT Frame中有一些公共开销，84字节的数据包最多包含18字节的过程数据。考虑到数据包必须经过每个从站两次才能回到主站，所数据包以固定的波特率100Mbps在网络上传输两次的时间，这就是它的总线刷新时间。基于这个原则，以包含1000路开关量信号的数据包为例，计算过程如下：
过程数据长度：1000/8=125 Byte。
数据包长度：84-18+125=191Byte=191*8 Bit =1528 Bit
总线刷新时间：(1528 Bit/100,000,000Bps)*2 =15.28µs *2=30.56µs
注意，通常的数字量模块，都是单纯的输出或者输出模块，而不是混合模块，所以1000个数字量信号，Frame中就会分配125字节。
再以包含100个EtherCAT伺服驱动器过程数据的EtherCAT数据包为例，假如每个伺服的过程数据只包括控制字（2字节）、状态字（2字节）、目标位置（4字节）、实际位置（4字节），其总线刷新时间的计算过程如下：
过程数据长度：100*（2+4）=600 Byte。
数据包长度：84-18+600=1266Byte =671*8 Bit =5328 Bit
总线刷新时间：(5328 Bit/100,000,000Bps) *2=100.656µs
注意，Frame中只为一个伺服分配了6个字节，这是因为根据Beckhoff公司的控制软件TwinCAT中关于EtherCAT的默认设置是从站的Input和Output使用同一数据段，所以数据包进入伺服驱动器时该数据段存放的是控制字和目标位置，而出来时则存放伺服的状态字和实际位置。
以上两个数据30.56µs和101.28 µs就是EtherCAT官方宣传资料中，刷新1000个数字量需要30µs，刷新100个伺服轴只需要100µs的数据由来。实际上，根据从站的类型、是否包含分布时钟、是否启用时钟同步、时钟同步的参数设置不同，在数据包中有可能还会增加8-12字节用于传输同步时钟值，以及相应的为每个从站增加一个Bit的标记等等，会增加几个微秒的刷新时间，暂且忽略不计。
以上计算只是数据包传输需要的理论时间，实际上，数据包经过每个从站会产生短暂的硬件延时。100M超五类网线接口的从站延时约1µs，而EBus的IO模块类从站延时约0.3µs，在毫秒级以下的控制任务中如果从站数量较多，这个时间也相当可观，计算刷新周期时应该考虑进去。
d.一网到底，直达IO模块
一个EtherCAT网络最多可以连接65535个从站，远远大于此前的现场总线允许的最大从站数量32、64、127或者255。根据前面的计算，EtherCAT的刷新时间主要受从站的过程字节数影响，而节点数量的影响极小，如果不考虑数据经过从站的硬件延时，同样的过程数据分布在10个从站或者100个从站上，总线的刷新时间几乎相同。绝大多数控制系统的IO模块不会超过1000个，所以EtherCAT允许每个IO模块都占用一个地址，每个IO模块都是一个EtherCAT从站。
如果使用EtherCAT接口的IO模块，背板通讯和IO站与控制器之间的通讯使用同一种协议，数据直接从控制器到达IO模块，这就是“一网到底”。这是从站最多不超过255个的其它现场总线无法做到的。“一网到底”的实现，极大地减少了现场信号与控制器之间的传输环节，使真正的高速响应成为可能。
2. EtherCAT分布时钟技术
网络中有多个分布于不同硬件的实时时钟，就称为分布时钟（Distributed Clocks）。在EtherCAT网络中，不仅主站上有时钟，从站上也可以有本地时钟。主站时钟通常来自控制器的CPU时钟，从站采用EtherCAT芯片内置的32位或者64位分布时钟。通常把主站连接的第一个从站分布时钟作为系统主时钟（又称“参考时钟”），以主时钟来同步主站和其它从站的DC时钟。
系统启动时，各从站的本地时钟和参考时钟之间有一定的差异，称为时钟初始偏移量。在运行过程中，由于各从站使用的晶振等原因，它们的计时周期会有微少差别，称为时钟漂移。数据帧在各个从站之间传播时的延时称为传输延时，包括物理层和链路层的延时。在分布时钟处理机制中，这些因素都会进行补偿，使得补偿后的从站DC时间和EtherCAT主站的时间达到同步，从而达到整个系统的时钟同步。EtherCAT分布时钟的精度为10ns，同步精度为15ns左右，考虑到从站的硬件动作，网络中各DC从站的实际输入/输出的同步精度可以控制在100ns以内。
同步精度可以控制在100ns以内，在现实应用中有什么意义呢？
以高速的CNC激光切割设备为例。因为激光器的功率、切割材料的材质、厚度都会影响切割的效果，要根据不同情况来选择切割速度，如果是切割碳钢，采用1000W激光切割机，对于10mm以下的碳钢材料，当碳钢厚度小于2mm时，每分钟切割速度最高可达8米，碳钢厚度为6mm时，切割速度约为每分钟1.6米，而碳钢厚度为10mm时，切割速度约为每分钟0.6-0.7米。线速度与工艺和传动都有关系，以较高的切割速度8米每分钟为例来计算位置同步精度如下：
速度 8000mm/min=133mm/s
=0.133mm/ms=0.133um/µs
同步时间精度 100ns=0.1µs
同步位置精度 0.133*0.1µs=0.0133 um
小于0.02um的同步误差，与机械传动引起的位置误差相比几乎可以忽略不计，足以满足高速高精的加工要求。
3. EtherCAT从站的分布时钟工作模式
EtherCAT从站芯片周期性地依次执行计算和数据拷贝任务，其工作周期从数微秒到数毫秒不等。通过分布时钟的参数可以精确设置每个EtherCAT从站刷新输出和读取输入的时间，以确保主站接收的来自不同从站的输入信号值是在同一时刻获取的，而主站发送给不同从站的输出信号，也能在同一时刻触发所连接的输出电路。
带有分布时钟的EtherCAT从站可以设置其工作模式：
Free Run，EtherCAT从站并不与EtherCAT主站同步。从站各自触发输入或输出，与参考时钟无关。
synchronize with SM event，EtherCAT从站检测到数据帧经过时触发读取输入或者刷新输出的动作。如果数据帧中有本站的Output数据即触发SM2事件，如果数据帧中只Input数据就触发SM3事件。
synchronize with SYNC event，EtherCAT从站根据本地DC时钟的同步脉冲SYNC0或者SYNC1来确定读取输入或者刷新输出的时间。
EtherCAT从站的参数保存在E2PROM中，而供外部访问的参数则封装成CanOpen对象字的形式。通过参数0x1C32 和 0x1C33的不同组合，可以确定分布时钟的工作模式。
下面依次详细介绍各种工作模式：
a. Free Run模式：从站的LocalTimer Event决定了各种任务的开始时间。事件触发后立即输出，在Min Cycle Time基础上提前若干时间获取输入。
Local TimerEvent的间隔与控制器预设的任务周期一致，但其触发时间却与主站无关，所以不可确知输入信号的读取时间和输出电路的触发时间。
b. Synchronoµswith SM event模式（无Shift参数）
报文经过时从站触发的SM2/3事件决定了各种任务的开始时间，事件触发后立即输出，在Min Cycle Time基础上提前若干时间获取输入。
SM2/3事件的间隔与控制器预设的任务周期一致，但其触发时间取决于主站发来的数据包何时到达本站。使用这种方式可以让输出信号尽快触发输出电路，结果是离主站越近的从站就越早完成输出状态的刷新。
c. Synchronoµswith SM event模式（带Shift参数）
报文经过时从站触发的SM2/3事件决定了各种任务的开始时间，立即输出，事件触发后延时Shift Time时长获取输入。
与无Shift参数的Synchronoµswith SM event模式相比，区别在于它的输入信号读取时间与SM事件之间的延迟量可以设置，但必须大于硬件所需要Min Cycle Time。由于主站发出数据包的时间和到达本站的时间都会有所波动，所以这种方式下各从站之间也没有同步性。
d. Synchronoµswith SYNC event模式（无Shift参数）
从站DC时钟触发的Sync0事件决定了各种任务的开始时间，Sync0触发后立即输出，Min Cycle Time基础上提前若干时间获取输入。与Frame何时经过从站无关。
由于EtherCAT的时钟同步机制，所有从站DC时钟的Sync0信号是同时触发的，任意两个从站DC时钟的Sync0信号相差不会超过100ns。所以这种方式下，任意两个DC从站的输出电路刷新时间的差值，取决于各自的1C32:06（Calc+Copy Time）和1C32:09（Hardware Delay Time）。如果是同型号的硬件，这些时间是几乎相同的。如果是不同型号的硬件，就会有所差别。同样道理，输入信号的获取时间，同型号的硬件则时间相同，否则不同。
e. Synchronoµswith SYNC event模式（带Shift参数）
从站时钟触发的Sync0事件决定了各种任务的开始时间，Sync0后立即运算和复制内存，但并不驱动硬件，而是延迟一段时间再驱动硬件。延时的时间就是输出Shift Time（0x1C32:03）减去硬件状态切换需要的时间。对于输入信号，则是在Sync0之后延时Shift Time（0x1C33:03）减去硬件状态获取需要的时间，再触发状态获取（Start Latch）动作。如图所示：
与不带Shift参数的Synchronoµswith SYNC event模式相比，这种方式可以通过调整Shift Time来补偿由于硬件型号不同导致的1C32:06（Calc+Copy Time）和1C32:09（Hardware Delay Time）的差异，实现目标DC从站的最终输出电路刷新的时间严格一致。当然设置的1C32:03（Shift Time）必须大于硬件所需的1C32:06（Calc+Copy Time）与1C32:09（Hardware Delay Time）之和。同样道理，输入延时时间的设置，也必须考虑到硬件所需要的输入转换时间。
有的EtherCAT从站带两个分布时钟，可以触发两个事件：Sync0和Sync1。Sync1保持与其它DC从站同步，Sync0用于驱动硬件输出。Sync0会在Sync1之后延时Output Shift Time（0x1C32:03）- Hardware Delay的时间再触发。以倍福公司的输出模块EL2252为例，当0x1C32:01=3时，主站发来的数据包中应包含触发硬件刷新的具体时间，每个通讯周期从站接收到数据包后提取这个时间再经过计算就可以得到Output Shift Time（0x1C32:03）的准确值，这样就能将输出信号的状态切换时间的波动范围控制在0.1µs以内。
f. Synchronoµswith SYNC event模式（带Shift参数和子时钟功能）
有的EtherCAT从站带两个分布时钟，可以触发两个事件Sync0和Sync1。设置细分倍数n，Sync0的周期就是Sync1的周期平均细分成n等份的值。Sync0的时钟就称为子时钟，在一个Sync1周期内，重复n次触发输出和输入动作，这就叫Over Sampling。
每一次动作的原则与Synchronoµswith SYNC event模式（带Shift参数）相同。
如图所示：
通过两个时钟的迭加作用，就实现了1个Sync1周期内完成n次采样或者输出。因为Sync1的周期等于控制周期，而控制周期受限于主控CPU的运算性能以及控制软件的最低任务周期，而触发硬件动作的Sync0周期则受限于从站硬件电路转换时间以及从站芯片的运算拷贝时间。所以在Beckkhoff公司的EtherCAT从站产品中，Sync1的周期最低只能到50µs，而Sync0的周期可以低至1µs（数字量模块）或者10µs（模拟量模块）。
4. 基于DC时钟的亚微秒级信号捕捉和精确控制
a) 亚微秒级的信号捕捉
信号捕捉，又称为信号锁存，编码器接口模块或者伺服驱动器上通常会就会有锁存输入点，在该输入点的电平上升沿或者下降沿，立即锁存编码器当前计数值，而在下一个通讯周期，比如若干ms之后，把锁存值通过总线送至主站。这种方式的优点是捕捉精确，缺点是锁存信号必须接入被锁存信号所在的模块。
基于EtherCAT的分布时钟技术，Beckhoff公司提供一种带功能的数字量输入模块EL1252。它送给主站的Input数据中，不仅包含通道的当前状态，还包含通道的上升沿和下降沿触发时间，这个时间被称为TimeStamp。由于系统所有DC时钟都保持同步，所以主站就可以利用这个ns级回溯到当时其它DC从站的过程变量值，比如计数、压力、位置等等，相当于间接起到了信号捕捉的作用。
利用EtherCAT模块EL1252做信号捕捉的优点是不依赖于被捕捉的设备，捕捉信号接入IO模块而不是接入被捕捉设备，而一个捕捉信号也可以同时捕捉多个设备的过程变量值。并且捕捉精度与硬件捕捉相当。捕捉精度不受控制器周期的影响，即使是经济型的CPU，比如控制周期10ms甚至更长，也可以实现亚微秒级别的信号捕捉。
在工业制造领域，基于EtherCAT分布时钟技术的亚微秒级的信号捕捉最典型应用就是软件探针功能，用于取代传统的硬件探针功能，比如包装印刷设备上的色标捕捉。色标传感器信号，只要接入DI模块，如图所示：
在上图中，有效的传感器信号上升沿，发生在控制器的两个采样点之间，而程序根据模块送回来的信号上升沿可以精确计算出那个时刻对应的Axis.Position值。
此外，倍福公司新推出的模块EL1259还支持一个控制周期内最多记录10个上升沿，该功能可以用于统计脉冲数量，计算脉冲频率等。
b) 亚微秒级精确控制
与亚微秒级信号捕捉相对应的，就是亚微秒级的精确控制。
传统的控制，每个控制周期都会刷新一次硬件输出状态。通常的工作顺序是“读入—运算—输出”。对于同一套硬件系统，读入和输出的时间不会有大的波动，但每个控制周期的运算时间就会因为输入根据条件不同而变化。所以实际上硬件输出的响应时间，会有一个控制周期以内的波动。要精确控制一个硬件的动作，通常的做法是直接使用运算芯片自带的输出点。比如计数器模块上自带的Output点，计数满后不经过控制器直接置位。又比如伺服驱动器的原点信号，捕捉到该信号以后，伺服驱动器的当前位置直接清零。
这种实现方式，不仅要求输出点必须直接使用模块的输出引脚，算法也必须在模块里面实现。这意味着，用户只能使用模块里面预先设计的输出信号和输入信号。比如伺服驱动器通常会预留原点、正限位、负限位、位置锁存信号，其中原点和位置锁存信号，具有ns级的响应，而输出会预留报警、准备好等信号，但输出通常都与位置无关。
Beckhoff公司提供一种带时间戳的数字量输出模块EL2252。主站可以设置其输出通道状态切换的精确时间StartTime以及要切换的目标状态。由于系统所有DC时钟都保持同步，主站只要精确控制这个ns级时间StartTime，就可以控制输出通道在某个DC从站的采样信号刚好到达目标值时进行状态切换。
亚微秒级的精确控制，最典型的应用就是与高速运动相关的数字量输出，包括：
凸轮输出：即CamSwitch，可以精确控制一个数字量输出通道在高速运动轴的指定位置区间打开和关闭。比如，用这个信号控制照相机的快门打开，就称为“飞拍”(Flying Shot)。
飞行切割：CNC激光切割设备，为了提高加工的效率，并不是一次切割一条封闭曲线，而是分次切割出多条线段，最终形成预设的形状。比如加工10个平行的方孔，边长10mm，间距15mm。通常就是让激光头与工件产生一个相对的直线运动，在匀速段依次开光关光，重复10次，就加工出10条线段。在CNC激光切割设备中，用高速输出模块控制激光头的开关和关光，加工一条直线上的小段线，就叫飞行切割。
利用带DC时钟的输出模块EL2252来实现精确输出，控制精度达到100ns，但对控制周期没有要求，即使是经济型的CPU，比如控制周期10ms甚至更长，也可以实现100ns级别的控制精度。
5. 基于DC时钟的微秒级超采样技术
具有超采样功能的EtherCAT芯片带两个DC时钟，一个用于产生跟主站任务周期相同的同步脉冲，另一个作为子时钟产生n倍于同步脉冲频率的子脉冲。而根据子脉冲去触发采集输入或者刷新输出的时间，实际采样周期是控制周期的n分之一。如图所示：
上图中实现了一路模拟量信号在一个PLC周期内完成10次采样，实际采样周期（Measurement Cycle）是控制周期（PLC cycle）的十分之一。
在超采样技术中，Sync0子脉冲最大细分倍数受限于硬件电路的动作频率。同时细分倍数还受限于模块的电路转换最小周期：超采样数字量模块最小周期为1µs，超采样模拟量和编码器的电路转换最小周期为10µs，而超采样电力监测模块的电路转换最小周期为100µs。由于控制器周期通常以ms为单位，就算是PC控制的实时核，最低控制周期也只能做到50µs，并且依赖于高性能的CPU。使用Oversampling技术可以实现µs级的输入和输出周期，却无须高性能的控制器。
下面就列举基于超采样技术的几个硬件及应用：
a) 超采样数字量模块的应用
基于EtherCAT的分布时钟技术，Beckhoff公司提供带超采样功能的数字量模块，包括输入模块EL1262和输出模块EL2262，在控制器周期为1ms时，可以实现1MHz的采样频率。可以完成模块能完成的类似任务：探针输入、凸轮输出、飞拍、飞行切割等等。优点是可以在一个控制器周期内变化多次，缺点是时间精度的理论值不如模块。但是考虑到系统综合误差，1µs的时间精度和100ns的时间精度，在工厂应用中的效果几乎没有差别。
此外，超采样的数字量模块还可以统计指定时间段的脉冲个数，计算脉冲频率，比如在风电行业用于风机浆叶转速测量，在饮料包装行业用于处理灌装系统的脉冲流量计信号等等。
b) 微秒级模拟量超采样的应用
基于EtherCAT的分布时钟技术，Beckhoff公司提供带超采样功能的模拟量模块，包括标准的电流/电压信号的输入/输出模块。在控制器周期1ms时，可以实现100kHz的采样或者输出频率。这个频率级别，除了可以用于工厂自动化的先进制造领域，还可以用于低端测控领域。比如简易电子示波器：每个控制器周期有100个值进入控制器，编写控制器代码处理这些数据，可以获取历史极限值，曲线记录存储和回放。还可以编写算法进行状态分析，比如采集关键轴承的振动数据，可以进行预防性维护。
另外，利用模块还可以追溯带DC时钟的模拟量信号设备在瞬间的值，并且要追溯的信号采样点越密集，追溯的值越准确。所以结合超采样技术，可以更加精确地追溯重要模拟量信号，比如瞬间压力、瞬间加速度、瞬间力矩等等。结合带分布时钟的EtherCAT驱动器或者编码器模块，还可以在控制器中重现“模拟量－位置”曲线，比如注塑机、压铸机、陶瓷压机的压力位置曲线；拧紧机的力矩位置曲线。
超采样输出模块则可以用于模拟信号发生器，可以实现50kHz以内的波形发生器，规则曲线比如方波或者正弦波，可调幅值、频率、相位、偏移等。还可以结合现场记录的事件回放，输出无规则曲线，模拟现场工况，重现问题，分析故障原因。
c) 超采样电力测量模块：
超采样电力模块是倍福公司基于EtherCAT分布时钟技术的又一个应用。传统的电力测量模块用于取代电力仪表，通过直接测量三相电压和电流，计算功率、频率、能耗等电量。如果不考虑变送器环节的差别，可以把超采样电力模块的三相电压、三相电流输入通道，理解为6路超采样模拟量信号。依托EtherCAT的高速传输和双DC时钟的超采样技术，电力测量模块把传统的电力测量仪表的功能一分为二：原始电压、电流信号的采集功能放在IO模块上，而将功率因数、功率、能耗计算以及谐波分析等功能放在控制器上。这样做的好处是可以充分发挥控制器的运算能力，让PC可以承担更多的运算任务，节约IO部分的成本。另一方面，PC运算也增加了电力分析的透明度，打开了电力测量的黑箱。电气工程师可以探究更底层的数据，做更多的二次分析。
d) 超采样编码器模块
超采样编码器模块EL5101-0011是基于EtherCAT双DC时钟的又一个应用，它的细分倍数最大可以设置为100。当编码器作为运动控制的位置反馈装置时，每个控制周期采集一次位置就足够了。那么什么情况下需要一个周期采集100个位置数据呢？还是以压铸机或者注塑机中的“位置——压力”曲线为例，因为位置压力曲线严格影响压机的成型质量，而压力增加的过程极短，短到数十毫秒。为了得到足够多的采样点，如果用普通的编码器模块，必须把控制周期设得极短。使用超采样的编码器模块，可以在1ms的控制任务周期下获得100kHZ的采样频率，得到的结果更加真实和精细。可以据此优化控制策略，提高设备性能。
6. EtherCAT跨网络和跨系统DC时钟同步
跨网络时钟同步，是指一个控制系统上有超过1条EtherCAT网络，这些网络的DC时钟需要同步。比如一台控制器上的两张以太网卡引出的两个EtherCAT网络，或者一张千兆网卡通过网络倍增器CU2508扩展出最多8条EtherCAT网络。这种同步不需要额外的硬件，只要在主站软件中进行相应的参数设置就可以了。
跨系统时钟同步，是指项目中有多个控制系统，且相互之间可用100米以内的网线连通，且分别都支持EtherCAT主站，那么可以采用桥接模块EL6695实现各控制器的时钟同步。如果控制系统不全是EtherCAT主站，或者这些控制系统距离太远，不能通过网线连接，就需要加装外部时钟模块EL6688，当所有控制系统的时钟都与Internet上的外部时钟信号同步了，它们相互之间自然也就同步了。两种方式的同步精度都小于1µs。
跨系统时钟同步的一个典型应用是电力系统。对于风力发电而言，如果是一个风场内的控制器都是EtherCAT控制器，他们之间需要时钟同步，会采用EtherCAT桥接模块。如果是电网内不同控制系统之间要时钟同步，或者不同地区的控制系统要同步，那就在EtherCAT控制器上加装外部时钟模块EL6688，而在其它系统上也加装相应的外部时钟硬件装置。
7. 结论
基于EtherCAT的分布时钟技术，突破了传统控制的技术瓶颈，通用PC控制平台加上带DC时钟的IO模块，即可实现专用设备的采样精度和控制精度。降低了工厂自动化领域先进制造的门槛，让高速高精度设备越来越普及，使行业平均水平有可能迈上一个新台阶。另一方面，对于精通算法和分析的用户而言，不用投入昂贵的专业装备，使用通用产品就能获得微秒级的精度，验正和优化他们的研究成果，所以在测控、视觉、机器人等以软件算法和分析为核心技术的行业，EtherCAT分布时钟技术也越来越成为其硬件平台的基础技术。
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