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