EtherCAT時鐘同步技術(shù)的研究*

李 享，何 方，韓文澤

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院 沈陽計算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽 110171；3.沈陽高精數(shù)控智能技術(shù)股份有限公司，沈陽 110171)

0 引言

隨著工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)λ俣?、實時性等要求的逐漸提高，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線已經(jīng)難以滿足需求，多種實時工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線已經(jīng)投入使用并得到了日益的重視。其中由德國Beckhoff自動化公司提出的EtherCAT技術(shù)，完全符合以太網(wǎng)標準，支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，高速、高效率、實時性好，較其他的實時工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線協(xié)議有明顯的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

EtherCAT利用分布時鐘機制，在實時性方面具有明顯的優(yōu)勢[1-3]。目前很多同步方案中主站選用了實時操作系統(tǒng)，由于主站延時函數(shù)誤差較大，產(chǎn)生了較嚴重的丟包現(xiàn)象[4]。本文重點研究了分布時鐘技術(shù)中嵌入式主站的實現(xiàn)方案，優(yōu)點在于主站實時性能好、精度高，同時該方案可以直接插入初始化流程中，不影響原有的主站軟件。

1 EtherCAT技術(shù)原理

EtherCAT數(shù)據(jù)幀通過特殊的幀類型0x88A4，直接使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸，充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特性[1]。單個以太網(wǎng)幀最多可以進行1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，耗時僅為300μs，100個伺服軸的通訊也僅需100μs，分布時鐘技術(shù)使得軸的同步偏差小于1μs[2]。如圖1所示，在邏輯上，EtherCAT網(wǎng)段內(nèi)所有從站設(shè)備構(gòu)成一個開口的環(huán)形總線[1,5]。主站可直接發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，并在另一端接收處理后的數(shù)據(jù)幀。

圖1 EtherCAT運行原理

這樣設(shè)計的好處在于，主站可以輕易地獲取從站拓撲結(jié)構(gòu)，精確地測量各從站的傳輸延時等信息。分布時鐘技術(shù)即以此設(shè)計為基礎(chǔ)。

2 EtherCAT分布時鐘機制分析

EtherCAT支持的分布時鐘機制參考了IEEE1588標準，使得所有從站都同步于同一個時鐘，使用相同的系統(tǒng)時間，用來控制各個設(shè)備的同步執(zhí)行。與主站相連的第一個支持分布時鐘的從站被用作參考從站，以參考從站時鐘來同步其他從站設(shè)備及主站時鐘[4,6]。

分布時鐘初始化時首先需要測量參考從站到其他設(shè)備之間的傳輸延時，同時計算出其他設(shè)備時鐘與參考時鐘之間的初始偏移量，并將其寫入各從站。分布時鐘初始化流程如圖2所示。

主站首先使用APRD命令讀所有從站的0x0008～0x0009，獲得從站DC特征信息，判斷從站是否支持64位或32位分布時鐘；讀0x0110～0x0111，判斷正在使用的從站端口，獲得網(wǎng)段拓撲結(jié)構(gòu)。隨后主站發(fā)送BWR命令，寫所有從站0x0900。

圖2 分布時鐘初始化流程圖

綜上所述，從站到參考從站的傳輸延時為：

從站i本地時鐘與參考時鐘之間的初始偏移量為：

最后，主站使用ARMW命令，讀取參考從站的系統(tǒng)時間寄存器0x0910～0x0917，并將獲得的當(dāng)前系統(tǒng)時間τref_local寫入其后的從站。主站需要連續(xù)發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀直至同步性基本滿足需求(可以通過讀系統(tǒng)時間差寄存器0x092C～0x092F來判斷是否滿足需求)。從站則據(jù)此計算自身的時鐘漂移量：

Δτ(i)=τlocal(i)-[τref_local+Toffset(i)+Tdelay(i)]

如果Δτ(i)>0，說明從站i的本地時鐘運行比參考從站時鐘快，ESC控制本地時鐘減慢運行；如果Δτ(i)<0，說明從站i的本地時鐘運行比參考從站時鐘慢，ESC控制本地時鐘加快運行[1,10]。

綜上可以看出，系統(tǒng)運行后，主站僅需要周期性發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀實時調(diào)整主從站同步情況。因此，控制主站發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀的時刻對于時鐘同步至關(guān)重要。

3 EtherCAT主站實時性實現(xiàn)

本文設(shè)計了一個EtherCAT系統(tǒng)，并在其上實現(xiàn)了EtherCAT分布時鐘。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EtherCAT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EtherCAT主站在ARM上實現(xiàn)所有EtherCAT的功能，利用FPGA實現(xiàn)PCI總線接口和DPRAM[11]。主站和人機系統(tǒng)間的交互通過PCI總線完成，主站與從站間通過以太網(wǎng)通信。

為了優(yōu)化從站同步性能，主站應(yīng)當(dāng)保證數(shù)據(jù)幀先于SYNC0信號一段時間到達從站。從站可以利用這段時間完成數(shù)據(jù)交換及控制計算，等待SYNC0信號到達后立即執(zhí)行輸出操作。從站的本地周期是由SYNC0信號觸發(fā)的，為了保證實時性，主站必須使數(shù)據(jù)幀在SYNC0事件前到達，因此需要保證主站在固定的時間窗口內(nèi)完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。

為了達到這一結(jié)果，主站需要不斷調(diào)整自身的定時器，利用主站的本地定時器控制主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀時刻，使得從站接收數(shù)據(jù)幀時刻與從站的SYNC0信號間保持恒定的相位差。主站利用ARM中一組定時器計數(shù)器來記錄當(dāng)前時間。為了擴大時鐘周期調(diào)整范圍，計數(shù)器的計數(shù)上限應(yīng)該較大。由圖4可知，主站應(yīng)該每個周期計算主站定時器剩余時間，并依據(jù)該結(jié)果修改主站定時器計數(shù)器。

由圖4可知，主站定時器的剩余時間為：

綜上，需要設(shè)定的主站定時器計數(shù)器的值為：

其中，Tmax為計數(shù)器的計數(shù)上限。主站實際上執(zhí)行Tremain后觸發(fā)中斷，進入下一次定時器事件，與Tmax的大小無關(guān)。

圖4 分布時鐘的主從站通信時序

4 測試結(jié)果分析

測試平臺如圖5所示，采用1個主站6個從站，所有從站均支持分布時鐘，即以1號從站為參考從站。

設(shè)定SYNC信號周期為2ms，SYNC0偏移為500μs。通過采集參考從站周期運行開始時間寄存器(0x0990)、本地系統(tǒng)時間寄存器(0x0910)，計算二者的差值，就可以知道實際的SYNC0偏移。測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 分布時鐘測試平臺

圖6 參考從站的實際SYNC0偏移

由圖6可以看出，實際上SYNC0偏移分布在500μs上下，且抖動不大。通過示波器采集參考從站接收ARMW數(shù)據(jù)幀時刻、SYNC0信號發(fā)生時刻也能得到相同結(jié)論。如圖7所示。

圖7中的抖動范圍為5.46μs，SYNC0偏移則穩(wěn)定分布在490μs左右。這與ESC緩存模式有關(guān)。主站數(shù)據(jù)幀到達從站后，首先寫入由存儲同步管理通道(SyncManager，SM)管理的三個緩存區(qū)中的第一個。寫成功后，會在SM狀態(tài)寄存器中設(shè)置中斷事件請求。這一模式會使中斷發(fā)生時刻比真實接收數(shù)據(jù)幀時刻偏晚，導(dǎo)致了測得的SYNC0偏移偏小。

主站選用了實時操作系統(tǒng)的同步方案，通常通過增加系統(tǒng)延時來調(diào)整主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間[4]。這種方案使用的延時函數(shù)通常誤差較大時鐘分辨率往往在百微秒量級，導(dǎo)致SYNC0抖動范圍大。當(dāng)延時過長時，主站會在SYNC0信號產(chǎn)生后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從站不能處理而頻繁產(chǎn)生丟包。本方案直接調(diào)整主站定時器計數(shù)器，在主站時鐘頻率為204MHz的情況下，系統(tǒng)時間的分辨率僅為4.9ns，SYNC0抖動范圍很小。由圖7可以看出，主站可以保證在SYNC0事件前完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。實際測試中，系統(tǒng)長時間連續(xù)運行，未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。可以認為主站實時性的需要得到了保證。

圖7 參考從站收幀與2號從站SYNC0信號發(fā)生時刻

用示波器采集參考從站和2號從站的SYNC信號發(fā)生時刻，如圖8所示。圖中可以看出，兩個從站的SYNC發(fā)生時刻的誤差在30ns以下，SYNC信號的抖動范圍為16.2ns。可以認為從站的同步性得到了保證。

圖8 參考從站與2號從站SYNC0信號發(fā)生時刻

針對不同SYNC信號周期(2ms、3ms、5ms、10ms)，系統(tǒng)進入運行階段后，每60個周期采集一次2號從站的系統(tǒng)時間差寄存器的值。對于每組采集到的2000個數(shù)據(jù)，去除符號位后，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 不同時鐘周期下2號從站系統(tǒng)時間差寄存器值的統(tǒng)計結(jié)果

從表中可以看出，在一定范圍內(nèi)，無論時鐘周期如何變化，從站的時鐘平均誤差都在同一區(qū)域內(nèi)。但是如果時鐘周期變大，從站時鐘的誤差抖動也會增大。這是因為在下一次同步前，從站獨立運行的時間變長了，與參考時鐘出現(xiàn)較大誤差的機率也提升了。所以主站的時鐘周期應(yīng)當(dāng)盡可能小。

為了驗證發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀的時間間隔對時鐘同步的影響，將主站改成每周期發(fā)送2次ARMW數(shù)據(jù)幀。在4ms的時鐘周期下，采集2號從站的系統(tǒng)時間差寄存器的值，與2ms同步1次的結(jié)果進行對比。對比結(jié)果如表2所示。

表2 2ms同步1次與4ms同步2次下2號從站的系統(tǒng)時間差寄存器值的統(tǒng)計結(jié)果對比

與2ms同步1次相比，4ms同步2次在同步的頻率上是一致的。但是發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀的時間間隔會隨傳輸時間的變化而變。從表中可以看出，4ms同步2次時誤差的平均值與波動都變大了。這表明，發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀的時間間隔的穩(wěn)定性對同步效果影響較大。所以主站應(yīng)當(dāng)盡可能保證發(fā)幀間隔的穩(wěn)定。與主站選用了實時操作系統(tǒng)的同步方案[4]相比，本文提出的方案在發(fā)幀間隔的穩(wěn)定性上有明顯的改善，能夠獲得更好的時鐘同步效果。

5 結(jié)束語

本文基于ARM平臺，重點對EtherCAT時鐘同步機制進行了研究，詳細探究了主站保證實時性的實現(xiàn)方案，并進行了仿真測試。測試結(jié)果證明了該方案下EtherCAT時鐘同步的誤差滿足實時性的需求。同時，測試了SYNC信號周期、發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀的時間間隔的穩(wěn)定性對時鐘同步效果的影響。對進一步優(yōu)化主站同步方案有重要意義。

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