数控系统总线设备的时间同步系统及方法

摘要

本发明公开了一种数控系统总线设备的时间同步系统及方法，其中时间同步系统包括：EtherCAT主站、EtherCAT第一从站和第一总线的主站；EtherCAT主站在初始化时将当前时间和总线通信周期发送给第一从站；第一从站在总线设备周期通信时根据基准时钟产生同步信号并发送给第一总线的主站；第一总线的主站在接收到同步信号后向所述第一总线的从站发送数据帧以及将同步信息发送给EtherCAT主站；EtherCAT主站在接收到同步信息后将时间信息分发给其余的EtherCAT从站。本发明弥补了现有技术中在EtherCAT总线和其他的总线混用时总线上的时间不能同步的不足，完全消除了时间抖动，实现了时间同步。

权利要求

1.一种数控系统总线设备的时间同步系统，其特征在于，总线设备包括EtherCAT主站、EtherCAT的若干从站、第一总线的主站和第一总线的若干从站，所述时间同步系统包括：控制系统；

所述控制系统包括：所述EtherCAT主站、EtherCAT第一从站和所述第一总线的主站，所述EtherCAT第一从站为EtherCAT的若干从站中的一个；

EtherCAT主站用于在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

EtherCAT第一从站用于在总线设备周期通信时，以EtherCAT第一从站的本地时钟为基准时钟，根据所述基准时钟产生周期性的同步信号，并将所述同步信号发送给第一总线的主站；

第一总线的主站用于在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将同步信息发送给EtherCAT主站；

在EtherCAT主站接收到所述同步信息后，EtherCAT第一从站通过EtherCAT将时间信息分发给EtherCAT的若干从站中其余的EtherCAT从站。

2.如权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于，所述EtherCAT主站包括控制计算机和以太网控制器，所述控制计算机还用于控制EtherCAT通信和处理数据，所述以太网控制器还用于收发数据帧。

3.如权利要求2所述的时间同步系统，其特征在于，所述控制计算机用于在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

第一总线的主站用于在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将同步信息发送给所述控制计算机；

所述控制计算机还用于在接收到所述同步信息后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给其余的EtherCAT从站。

4.如权利要求2或3所述的时间同步系统，其特征在于，所述EtherCAT主站还包括：用可编程逻辑器件替代所述控制计算机，用以控制EtherCAT通信和处理数据；

和/或，用ASIC替代所述以太网控制器，用以收发数据帧。

5.如权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于，所述第一总线为RTEX总线或Mechatrolink-II/III总线。

6.一种数控系统总线设备的时间同步方法，其特征在于，总线设备包括EtherCAT主站、EtherCAT的若干从站、第一总线的主站和第一总线的若干从站，所述时间同步方法包括：构建控制系统，所述控制系统包括：所述EtherCAT主站、EtherCAT第一从站和所述第一总线的主站，所述EtherCAT第一从站为EtherCAT的若干从站中的一个；

EtherCAT主站在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

EtherCAT第一从站在总线设备周期通信时，以EtherCAT第一从站的本地时钟为基准时钟，根据所述基准时钟产生周期性的同步信号，并将所述同步信号发送给第一总线的主站；

第一总线的主站在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将同步信息发送给EtherCAT主站；

在EtherCAT主站接收到所述同步信息后，EtherCAT第一从站通过EtherCAT将时间信息分发给EtherCAT的若干从站中其余的EtherCAT从站。

7.如权利要求6所述的数控系统总线设备的时间同步方法，其特征在于，所述EtherCAT主站包括控制计算机和以太网控制器，所述控制计算机还用于控制EtherCAT通信和处理数据，所述以太网控制器还用于收发数据帧。

8.如权利要求7所述的时间同步方法，其特征在于，所述控制计算机在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

第一总线的主站在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将所述同步信号发送给所述控制计算机；

所述控制计算机在接收到所述同步信号后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给其余的EtherCAT从站。

9.如权利要求7或8所述的时间同步方法，其特征在于，所述EtherCAT主站还包括：用可编程逻辑器件替代所述控制计算机，用以控制EtherCAT通信和处理数据；

和/或，用ASIC替代所述以太网控制器，用以收发数据帧。

10.如权利要求6所述的时间同步方法，其特征在于，所述第一总线为RTEX总线或Mechatrolink-II/III总线。

说明书

数控系统总线设备的时间同步系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种数控系统总线设备的时间同步系统及方法。

背景技术

[0002] 目前数控领域常用的总线包括EtherCAT、RTEX、Mechatrolink-II/III等。EtherCAT是一种以以太网为基础的总线协议，使用标准以太网的硬件设备和驱动软件即可实现。在数控系统中，为了使EtherCAT主站和所有EtherCAT从站的时间同步，通常使用EtherCAT协议中的“分布时钟”技术，即由离EtherCAT主站最近的一个具有“分布时钟”功能的EtherCAT从站11将本地时钟分发给EtherCAT主站10和其他从站12、13，从而使得各个从站的时钟保持同步，具体如图1所示。RTEX、Mechatrolink-II/III等总线技术通常利用总线的主站20自带的定时功能，通过主站20定时发送数据帧的形式实现各从站21、22、23间的同步，具体如图2所示。图中不带箭头的线表示各模块的连接关系，带箭头的线表示时间分发的方向。

[0003] 在实际的控数控系统中，经常需要同时使用EtherCAT总线和其他的总线，由于标准时间的来源不同，因此总线上的时间不能同步。

[0004] 为了解决这一问题，目前的数控系统中通常使用数控系统内部的时钟源，即RTEX、Mechatrolink-II/III的主站作为基准时间，EtherCAT主站10从RTEX、Mechatrolink-II/III的主站芯片20获取标准时间后，将当前时间发送给离EtherCAT主站最近的一个EtherCAT从站11，再由这个EtherCAT从站11分发给其他的EtherCAT从站12、13，如图3所示。

[0005] 这种时间同步的方法有一个明显的缺陷，即从“EtherCAT主站接收到标准时间”到“离EtherCAT主站最近的一个EtherCAT从站接收到标准时间”的时间间隔不稳定。EtherCAT主站的操作系统实时性差，导致离EtherCAT主站最近的一个EtherCAT从站接收到的标准时间有数十微妙的抖动，严重影响了EtherCAT总线的同步性，进而影响了总线设备的性能。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中在EtherCAT总线和其他的总线混用时总线上的时间不能同步的缺陷，提供一种数控系统总线设备的时间同步系统及方法。

[0007] 本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

[0008] 本发明提供一种数控系统总线设备的时间同步系统，其特点是，总线设备包括EtherCAT主站、EtherCAT的若干从站、第一总线的主站和第一总线的若干从站，所述时间同步系统包括：控制系统；

[0009] 所述控制系统包括：所述EtherCAT主站、EtherCAT第一从站和所述第一总线的主站，所述EtherCAT第一从站为EtherCAT的若干从站中的一个；

[0010] EtherCAT主站用于在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

[0011] EtherCAT第一从站用于在总线设备周期通信时，以EtherCAT第一从站的本地时钟为基准时钟，根据所述基准时钟产生周期性的同步信号，并将所述同步信号发送给第一总线的主站；

[0012] 第一总线的主站用于在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将同步信息发送给EtherCAT主站；

[0013] EtherCAT主站还用于在接收到所述同步信息后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给EtherCAT的若干从站中其余的EtherCAT从站。

[0014] 本技术方案通过EtherCAT第一从站控制其他总线的通信周期，实现了时间同步。其中，EtherCAT主站在同步过程中并不参与，因此可以避免EtherCAT主站实时性差引起的时间抖动，准确实现了不同总线之间的时间同步。

[0015] 较佳地，所述EtherCAT主站包括控制计算机和以太网控制器，所述控制计算机还用于控制EtherCAT通信和处理数据，所述以太网控制器还用于收发数据帧。

[0016] 较佳地，所述控制计算机用于在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

[0017] 第一总线的主站用于在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将所述同步信号发送给所述控制计算机；

[0018] 所述控制计算机还用于在接收到所述同步信号后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给其余的EtherCAT从站。

[0019] 较佳地，所述EtherCAT主站还包括：

[0020] 用可编程逻辑器件替代所述控制计算机，用以控制EtherCAT通信和处理数据；

[0021] 和/或，用ASIC替代所述以太网控制器，用以收发数据帧。

[0022] 较佳地，所述第一总线为RTEX总线或Mechatrolink-II/III总线。

[0023] 本发明还提供一种数控系统总线设备的时间同步方法，其特点是，总线设备包括EtherCAT主站、EtherCAT的若干从站、第一总线的主站和第一总线的若干从站，所述时间同步方法包括：

[0024] 构建控制系统，所述控制系统包括：所述EtherCAT主站、EtherCAT第一从站和所述第一总线的主站，所述EtherCAT第一从站为EtherCAT的若干从站中的一个；

[0025] EtherCAT主站在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

[0026] EtherCAT第一从站在总线设备周期通信时，以EtherCAT第一从站的本地时钟为基准时钟，根据所述基准时钟产生周期性的同步信号，并将所述同步信号发送给第一总线的主站；

[0027] 第一总线的主站在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将同步信息发送给EtherCAT主站；

[0028] EtherCAT主站在接收到所述同步信息后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给EtherCAT的若干从站中其余的EtherCAT从站。

[0029] 较佳地，所述EtherCAT主站包括控制计算机和以太网控制器，所述控制计算机还用于控制EtherCAT通信和处理数据，所述以太网控制器还用于收发数据帧。

[0030] 较佳地，所述控制计算机在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站；

[0031] 第一总线的主站在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将同步信息发送给所述控制计算机；

[0032] 所述控制计算机在接收到所述同步信息后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给其余的EtherCAT从站。

[0033] 较佳地，所述EtherCAT主站还包括：

[0034] 用可编程逻辑器件替代所述控制计算机，用以控制EtherCAT通信和处理数据；

[0035] 和/或，用ASIC替代所述以太网控制器，用以收发数据帧。

[0036] 较佳地，所述第一总线为RTEX总线或Mechatrolink-II/III总线。

[0037] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

[0038] 本发明的积极进步效果在于：本发明将EtherCAT第一从站作为系统时钟源集成到控制系统内部，通过EtherCAT第一从站控制其他总线的通信周期，实现了时间同步。本发明中不同总线上的时间通过控制系统的硬件电路实现同步，EtherCAT主站并不参与，因此可以完全消除同步过程中EtherCAT主站实时性差引起的时间抖动。

附图说明

[0039] 图1为现有技术中EtherCAT主站和从站的时间同步示意图。

[0040] 图2为现有技术中RTEX、Mechatrolink-II/III主站和从站的时间同步示意图。

[0041] 图3为现有技术中EtherCAT总线和Mechatrolink-II/III总线的时间同步示意图。

[0042] 图4为本发明较佳实施例的数控系统总线设备的时间同步系统的示意框图。

[0043] 图5为本发明较佳实施例的数控系统总线设备的时间同步方法的流程图。

具体实施方式

[0044] 下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

[0045] 实施例

[0046] 一种数控系统总线设备的时间同步系统，如图4所示，总线设备包括EtherCAT主站、EtherCAT的若干从站、第一总线的主站和第一总线的若干从站。图中不带箭头的线表示各模块的连接关系，带箭头的线表示时间分发的方向。

[0047] 其中，所述EtherCAT主站的功能是收发EtherCAT数据帧，实现与从站设备的数据交换。由于EtherCAT的数据帧结构与标准以太网兼容，使用标准的以太网控制器即可实现EtherCAT数据帧的收发。本实施例中，EtherCAT主站包括控制计算机31和以太网控制器32，所述控制计算机31用于控制EtherCAT通信和处理数据，所述以太网控制器32用于收发数据帧。所述控制计算机31与所述以太网控制器32连接，所述以太网控制器32与EtherCAT的若干从站顺次连接，图中示出的EtherCAT的从站包括4个，分别为第一从站331、第二从站332、第三从站333和第四从站334。

[0048] 所述第一总线为RTEX总线或Mechatrolink-II/III总线。所述第一总线的主站为ASIC或可编程逻辑器件(PLD)，即图4中的ASIC/PLD 34，所述第一总线的主站与第一总线的若干从站顺次连接，图中示出的EtherCAT的从站包括3个，分别为第五从站351、第六从站352和第七从站353。

[0049] 所述时间同步系统包括：控制系统4。所述控制系统4包括：所述EtherCAT主站(即包括所述控制计算机31和所述以太网控制器32)、EtherCAT第一从站331和所述第一总线的主站(即图4中的ASIC/PLD 34)。所述EtherCAT第一从站331还与所述第一总线的主站连接。其中，所述EtherCAT第一从站331离EtherCAT主站最近且具有产生同步脉冲(SYNC)信号的功能，即根据EtherCAT第一从站331的本地时钟，以EtherCAT主站预设的时间间隔产生脉冲。

[0050] 所述控制计算机31用于在所述控制系统4初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站331。

[0051] EtherCAT第一从站331用于在总线设备周期通信时，以EtherCAT第一从站331的本地时钟为基准时钟，根据所述基准时钟产生周期性的同步信号，并将所述同步信号发送给第一总线的主站，即图4中的箭头①，表示由第一从站331向ASIC/PLD 34发送同步信号，以此实现EtherCAT与第一总线的主站的时间同步。其中，所述同步信号即为SYNC信号。

[0052] 所述第一总线的主站用于在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，即图4中的箭头②，表示由ASIC/PLD 34分别向第五从站351、第六从站352和第七从站353发送数据帧，以此实现所述第一总线的主站与所述第一总线的从站的时间同步。

[0053] 所述第一总线的主站还用于在接收到所述同步信号后，将同步信息发送给所述控制计算机31，即图4中的箭头③，表示由ASIC/PLD 34向控制计算机31发送同步信息，以此实现第一总线的主站与所述控制计算机31的时间同步。其中，所述同步信息可以为所述同步信号或中断信号。

[0054] EtherCAT主站还用于在接收到所述同步信息后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给其余的EtherCAT从站，即图4中的箭头④，表示由第一从站331分别向第二从站332、第三从站333和第四从站334发送时间信息，以此实现EtherCAT第一从站与其余的EtherCAT从站的时间同步。

[0055] 通过所述时间同步系统实现了所有总线设备的时间同步，且控制计算机31不需要转发任何时间信息，也就不会引入时间上的抖动，从根本上解决了控制计算机31实时性差引起的时间抖动问题，保证了时间的同步。

[0056] 另外，所述EtherCAT主站还可以用可编程逻辑器件替代所述控制计算机31，用以控制EtherCAT通信和处理数据；和/或，用ASIC替代所述以太网控制器32，用以收发数据帧。

[0057] 需要说明的是，所述控制系统4包括了EtherCAT第一从站，EtherCAT第一从站提供了基准时钟，基准时钟不一定要集成到控制系统的电路板上或控制器内，也可以集成在其他类型总线主站的ASIC或PLD内，也可以使用控制系统外的EtherCAT设备，通过电路连接线实现时间同步。

[0058] EtherCAT总线上第一从站以外的从站也可以为系统提供基准时钟。

[0059] 本实施例的同步信号不仅限于使用标准的SYNC信号，也可以使用其他基于基准时钟的信号，或者直接将基准时钟的时间发送给其他总线的主站设备。

[0060] 本实施例的一种数控系统总线设备的时间同步方法，如图4所示，总线设备包括EtherCAT主站、EtherCAT的若干从站、第一总线的主站和第一总线的若干从站。

[0061] EtherCAT主站包括控制计算机31和以太网控制器32，所述控制计算机31用于控制EtherCAT通信和处理数据，所述以太网控制器32用于收发数据帧。所述控制计算机31与所述以太网控制器32连接，所述以太网控制器32与EtherCAT的若干从站顺次连接，图中示出的EtherCAT的从站包括4个，分别为第一从站331、第二从站332、第三从站333和第四从站334。

[0062] 所述第一总线为RTEX总线或Mechatrolink-II/III总线。所述第一总线的主站为ASIC或可编程逻辑器件(PLD)，即图4中的ASIC/PLD 34，所述第一总线的主站与第一总线的若干从站顺次连接，图中示出的EtherCAT的从站包括3个，分别为第五从站351、第六从站352和第七从站353。

[0063] 如图5所示，所述时间同步方法包括：

[0064] 步骤501、构建控制系统4，所述控制系统4包括：所述EtherCAT主站(即包括所述控制计算机31和所述以太网控制器32)、EtherCAT第一从站和所述第一总线的主站(即图4中的ASIC/PLD 34)所述EtherCAT第一从站331还与所述第一总线的主站连接。其中，所述EtherCAT第一从站331离EtherCAT主站最近且具有产生同步脉冲(SYNC)信号的功能，即根据EtherCAT第一从站331的本地时钟，以EtherCAT主站预设的时间间隔产生脉冲。

[0065] 步骤502、所述控制计算机31在所述控制系统初始化时，将当前时间和总线通信周期通过EtherCAT发送给EtherCAT第一从站331。

[0066] 步骤503、EtherCAT第一从站331在总线设备周期通信时，以EtherCAT第一从站的本地时钟为基准时钟，根据所述基准时钟产生周期性的同步信号，并将所述同步信号发送给第一总线的主站，即图4中的箭头①，表示由第一从站331向ASIC/PLD 34发送同步信号，以此实现EtherCAT与第一总线的主站的时间同步。其中，所述同步信号即为SYNC信号。

[0067] 步骤504、第一总线的主站在接收到所述同步信号后，向所述第一总线的从站发送数据帧，以及将同步信息发送给所述控制计算机31，即图4中的箭头②和③，表示由ASIC/PLD 34分别向第五从站351、第六从站352和第七从站353发送数据帧，以此实现所述第一总线的主站与所述第一总线的从站的时间同步，以及表示由ASIC/PLD 34向控制计算机31发送同步信息，以此实现第一总线的主站与所述控制计算机31的时间同步。其中，所述同步信息可以为所述同步信号或中断信号。

[0068] 步骤505、EtherCAT主站在接收到所述同步信息后，通过EtherCAT将EtherCAT第一从站的时间信息分发给EtherCAT的若干从站中其余的EtherCAT从站，即图4中的箭头④，表示由第一从站331分别向第二从站332、第三从站333和第四从站334发送时间信息，以此实现EtherCAT第一从站与其余的EtherCAT从站的时间同步。

[0069] 通过所述时间同步方法实现了所有总线设备的时间同步，且控制计算机31不需要转发任何时间信息，也就不会引入时间上的抖动，从根本上解决了控制计算机31实时性差引起的时间抖动问题，保证了时间的同步。

[0070] 另外，所述EtherCAT主站还可以用可编程逻辑器件替代所述控制计算机31，用以控制EtherCAT通信和处理数据；和/或，用ASIC替代所述以太网控制器32，用以收发数据帧。

[0071] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。