國內工業(yè)芯標桿：首款獲得EtherCAT官方授權的MCU上市

劉于葦

電子工程專輯（EETimes China）副主分析師

中國亟需擁有一款自主可控、“正牌官方授權”EtherCAT 從站控制器的工業(yè)級高性能MCU。這家成立不到4年的年輕公司做到了……

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology）是一種架構開放、但不開源的高速工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，最早由德國倍福公司（Beckhoff）在2003年提出。作為一項高性能、低成本、應用簡易、拓撲靈活的工業(yè)以太網(wǎng)技術，近年來廣泛應用于工業(yè)自動化領域，已經(jīng)成為全球市場上最通用和增長最快的工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議，在中國和全球擁有大量的用戶。

現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和無線的市場份額

（來源：HMS Networks，2024 年）

每年，HMS Networks都會對工業(yè)網(wǎng)絡市場進行全面分析，旨在估計工廠自動化中按類型和協(xié)議劃分的新連接節(jié)點的分布情況。最新研究表明，工業(yè)網(wǎng)絡市場繼續(xù)擴張，預計2024年將增長7%。

值得注意的是，工業(yè)以太網(wǎng)仍然占據(jù)主導地位，占所有新安裝節(jié)點的71%（去年為68%）。與此同時，現(xiàn)場總線從24%下降到22%，無線技術從8%略微下降到7%。在最有力的競爭者中，PROFINET占新安裝節(jié)點的23%，緊隨其后的是EtherNet/IP，占21%，EtherCAT的受歡迎程度仍然很高，目前占16%。

近年來EtherCAT節(jié)點數(shù)量增長情況（來源：ETG）

2023年，在EtherCAT誕生20周年之際，現(xiàn)場總線組織EtherCAT技術協(xié)會（ETG）首次公開了全球節(jié)點數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，全球EtherCAT節(jié)點數(shù)已高達7700萬個，僅在2023年便新增了1800萬個。這些數(shù)據(jù)均基于實際售出的EtherCAT芯片數(shù)量得出，但不包括總線模塊使用的芯片。一個模塊化I/O站被統(tǒng)計為1個節(jié)點，即使它由多個EtherCAT總線模塊組成。

EtherCAT技術協(xié)會執(zhí)行董事Martin Rostan先生解釋道，“原本我們預計半導體危機結束后，芯片銷量會有所下滑，因為市場上的芯片庫存量已遠超短期需求。然而，盡管2023年市場整體經(jīng)濟環(huán)境有所降溫，EtherCAT的增長步伐卻依舊未停?！?/p>

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EtherCAT的工作原理

資料顯示，EtherCAT是國際標準(IEC 61158, IEC 61784, IEC 61800, ISO 15745)，同時也是SEMI標準(E54.20)，它基于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議進行修改，因此兼容性很強，可以與其他以太網(wǎng)協(xié)議并存于統(tǒng)一總線，數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到100Mbit/s，是目前已知最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術。

EtherCAT最大限度利用以太網(wǎng)帶寬進行數(shù)據(jù)傳輸，有效數(shù)據(jù)利用率可達90%以上。數(shù)據(jù)幀處理的實時性很高，數(shù)據(jù)刷新周期小于100us，可滿足對實時性要求高的場合，使用高精度的分布式時鐘，能保證各個從站節(jié)點設備的同步精度小于1us。

標準以太網(wǎng)框架中的EtherCAT（符合IEEE802.3）

EtherCAT結構簡單，而無需交換機或集線器，在網(wǎng)絡拓撲方面沒有限制，支持多種網(wǎng)絡拓撲結構，如線型、星型、樹型拓撲結構，以及各種拓撲結構的組合，從而使得設備連接非常靈活。

一般來說，EtherCAT是一個環(huán)狀的網(wǎng)絡，由一個主站（Master）與多個從站（Slave）所組成。

EtherCAT的運行原理（來源：ETG）

任何具有標準以太網(wǎng)控制器的設備都可以作為EtherCAT 主站，包括PC計算機、帶有以太網(wǎng)控制器的嵌入式設備。主站可以用軟件，在標準的以太網(wǎng)媒體接入控制器中實現(xiàn)，是網(wǎng)段內唯一能夠主動發(fā)送 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀的節(jié)點，其他節(jié)點僅傳送數(shù)據(jù)幀。這一設計是為了避免不可預知的延時，從而保證 EtherCAT 的實時性能。由于主站采用標準的以太網(wǎng)介質訪問控制器（MAC），無需額外的通信處理器。

同理，任何復雜功能的節(jié)點設備或簡單的I/O節(jié)點都可以用作EtherCAT從站，不僅使網(wǎng)絡性能可預測，而且其性能獨立于具體的從站設備實施方式。但需要特殊的EtherCAT從站控制器（EtherCAT Slave Controller，簡稱ESC），才能實現(xiàn)飛速傳輸（processing on the fly）的技術。

ESC中的“onthefly”（高速動態(tài)數(shù)據(jù)處理）

（來源：ETG）

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為什么需要一款國產(chǎn)EtherCAT工業(yè)芯片？

正如前文所說，EtherCAT技術并不開源，所以任何相關設備的開發(fā)，都需要獲取相關授權。

ETG方面的規(guī)則是，對于EtherCAT主站實施的授權是免費的，但協(xié)議要求兼容性，以確保授權免費并提供法律效力。對于從站設備，EtherCAT采用了CAN的授權模式（CAN是一個受專利保護的標準開放技術的樣本）：其授權費用已經(jīng)“嵌入到”EtherCAT 從站控制器（ESC）芯片中，因此ESC供應商需要一個許可，而設備制造商，最終用戶，系統(tǒng)集成商，工具生產(chǎn)商等無需再付授權費用。這個授權一般都需要從EtherCAT的專利方Beckhoff獲得。

相較于國際市場，中國工業(yè)芯片廠商在獲得ESC授權方面起步較晚，所以這項技術雖然在中國工業(yè)領域被廣泛應用，但長年以來使用基本上都是德州儀器（TI）、瑞薩（Renesas）、英飛凌（Infineo）等國外品牌 MCU 。即便國內有的芯片廠商宣稱自己支持EtherCAT，授權也非來自Beckhoff官方，這即為后期獲得技術支持和軟件更新帶來隱患，也令國產(chǎn)工控設備在進軍海外市場時面臨合規(guī)挑戰(zhàn)。

近年來，中國政府大力推動工業(yè)升級和智能制造，這個全球最大的工業(yè)自動化市場對高性能通信協(xié)議的需求越來越大。在工業(yè)自動化場景下，通訊協(xié)議需要具備實時性和高容錯率的特點，例如在生產(chǎn)線上的電機協(xié)同工作中，不同節(jié)點間的信息交換需近乎實時且無縫對接。這不僅適用于當前的機器人技術，也擴展到了未來的光伏等領域。

國內廠商開始意識到EtherCAT技術的重要性，并逐步尋求獲得ESC授權，以提高自身產(chǎn)品的競爭力；獲得ESC授權還能促使它們參與到更廣泛的EtherCAT生態(tài)系統(tǒng)中，包括與國內外設備制造商、系統(tǒng)集成商的合作。

中國亟需擁有一款自主可控、“正牌官方授權”EtherCAT 從站控制器的工業(yè)級高性能MCU。

先楫半導體（HPMicro），這家成立不到4年的年輕公司做到了。

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國內首款正版ESC授權工控MCU

2024年2 月 12 日，先楫半導體宣布中國首款擁有Beckhoff正式授權 EtherCAT 從站控制器的高性能 MCU 產(chǎn)品HPM6E00成功點亮，并順利完成第一階段驗證。在隨后的第一季度，該產(chǎn)品成功流片并陸續(xù)提供樣品給客戶。

對此，Martin Rostan先生曾高度贊揚EtherCAT技術在中國市場的發(fā)展，他說，“中國市場是近年來全球EtherCAT技術發(fā)展速度最快的一個市場，在中國的用戶數(shù)量已經(jīng)趕超歐美用戶。我很高興看到中國的企業(yè)上海先楫半導體能夠成為首家推出內嵌ESC的高性能微控制器產(chǎn)品的公司。我們期待看到先楫與各企業(yè)一起合作，進一步推動中國EtherCAT技術及產(chǎn)品應用的市場繁榮。”

6月27日，先楫半導體宣布HPM6E00系列已實現(xiàn)量產(chǎn)并全面上市。這款產(chǎn)品的推出，填補了國內市場空白，代表中國在 EtherCAT 上內嵌 ESC 的高性能 MCU 產(chǎn)品已經(jīng)達到國際水平。

據(jù)介紹，該系列產(chǎn)品具備高性能運動控制、高實時工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的特性、提供RISC-V 雙核，多達3端口千兆以太路由模塊，支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和時間敏感網(wǎng)絡(TSN: Time-Sensitive Networking)，支持32 路高分辨率 PWM 輸出、16位ADC、Σ?數(shù)字濾波，帶有專業(yè)的編碼器管理模塊、靈活的外部總線和敏捷的硬件電流環(huán)功能，在高精度運動控制系統(tǒng)中具備得天獨厚的優(yōu)勢。

先楫半導體創(chuàng)始人兼CEO曾勁濤表示，傳統(tǒng)的485通信速度較低，更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（如千兆）能夠大幅提升傳輸速度和數(shù)據(jù)存儲量，提高效率并降低錯誤率。此外，由于串行協(xié)議具有良好的可靠性和實用性，使得實時通訊在工業(yè)領域的廣泛應用成為可能。

先楫半導體HPM6E00系列產(chǎn)品致力于將硬件和控制環(huán)路小型化，實現(xiàn)了高性能MCU與高實時性、低延時工業(yè)以太網(wǎng)的高度集成，避免了信號處理過程中的二次運算，提高了整體效率。十分適合用于高性能伺服電機控制、機器人運動控制、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等多樣化應用中。

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業(yè)界大佬怎么看？

對于這款產(chǎn)品的推出，業(yè)界可謂期盼已久，以下是來自先楫半導體高層以及部分客戶的點評：

“HPM6E00內置德國倍福公司授權的正版EtherCAT 從站控制器 IP，為先楫客戶全面排除了IP上的風險。先楫MCU是中國定義、中國設計、中國制造、為中國服務的產(chǎn)品。這款產(chǎn)品填補了國內MCU市場的空白，也標志著我國工業(yè)MCU已經(jīng)在達到了國際先進水平?！?/p>

——先楫半導體創(chuàng)始人兼CEO，曾勁濤

中國產(chǎn)業(yè)升級、企業(yè)出海，在這樣的市場發(fā)展需求中，我們推出了這款市場期待已久的HPM6E00，它的一大亮點是集成高性能和EtherCAT技術，EtherCAT作為最通用和增長最快的工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議在中國和全球擁有大量的用戶，先楫會攜手更多合作伙伴一起進行資源共享、方案共創(chuàng)和技術創(chuàng)新等合作?！?/p>

——先楫半導體執(zhí)行副總裁市場銷售，陳丹（DannyChen）

“EtherCATTechnologyGrouphasmorethan7700membercompaniesfrom75countries.We'realsothefastestgrowingorganizationintheworldwithmorethan500newmembersinthelast12months.”

——EtherCAT技術協(xié)會（ETG）全球執(zhí)行董事和主席，MartinRostan

“這是一款市場上呼喚已久的產(chǎn)品，我們期待HPM6E00這款高性能微控制器能夠盡快在各個領域應用落地，大放異彩?！?/p>

——廣州致遠電子股份有限公司董事長兼總經(jīng)理，周立功

“三旺通信在工業(yè)領域已深耕20余年，我們深刻感知這款產(chǎn)品的發(fā)布在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的意義?！?/p>

——深圳市三旺通信股份有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人，吳健

“我們之前就有跟先楫合作，先楫的產(chǎn)品性能及穩(wěn)定性非常不錯。從前年開始我們就在找國內具備高主頻、高算力、帶EtherCAT接口的芯片，先楫HPM6E00產(chǎn)品剛好滿足需求，幫助我們快速的推出產(chǎn)品。祝賀先楫產(chǎn)品成功上市，給工業(yè)市場創(chuàng)造更好的選擇?！?/p>

——深圳顯控科技股份有限公司董事長，宋斌

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HPM6E00產(chǎn)品性能詳解

主頻 600 MHz，RISC-V 雙核，片上內存可達 2 MB。

實時以太網(wǎng)系統(tǒng)：

?千兆以太網(wǎng)交換機，支持多達 3 個外部端口和 1 個內部端口，支持時間敏感網(wǎng)絡。

? EtherCAT 從站控制器，支持多達 3 個端口。

增強運動控制系統(tǒng)：

? 4 個 8 通道增強型 PWM 控制器，PWM 調制精度高達 100ps。

?多種運動傳感器接口，包括增量式和絕對值位置傳感器接口，旋轉變壓器接口和磁編碼器接口。

?脈沖式位置輸出接口和絕對值位置輸出接口。

?運動和位置控制單元。

?硬件空間矢量變換和閉環(huán)控制單元。

?可編程邏輯單元 PLB。

電源系統(tǒng)：

?集成高效率 DCDC 轉換器和 LDO, 支持系統(tǒng)單電源供電，可動態(tài)調節(jié)輸出電壓實現(xiàn)性能-功耗平衡，兼顧了電源的靈活性，易用性和效率。

?多電源域設計，靈活支持各種低功耗模式。

?超低功耗待機。

豐富外設：

?多種通訊接口：1 個內置 PHY 的高速 USB，多達 8路 CAN/CAN-FD，以及豐富的 UART、SPI、I2C 等外設。

?Σ?數(shù)字濾波 SDM，包含 SINC 數(shù)字濾波器，可外接Σ?調制器。

? 4 個 2MSPS 16 位高精度 ADC，配置為 12 位精度時轉換率可達 4MSPS，多達 32 個模擬輸入通道；8 個模擬比較器。

?多達 20路 32 位定時器，5 個看門狗和 RTC。

? 2 個 8 通道 I2S 和數(shù)字麥克風。

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應用案例

應用分享一：驅控一體多軸伺服驅動器

Samkoon M9是一款模塊化可擴展EtherCAT總線伺服驅動器，整流模塊支持3-5KW，逆變模塊支持400W-750W單雙軸以及1500W單軸輸出，支持內置抱閘繼電器，支持TYPE-C USB調試接口，配合上位機可以實現(xiàn)伺服參數(shù)的快速導出導入及曲線波形監(jiān)視。M9系列伺服以完全國產(chǎn)自主的RISC-V內核的HPM6E80處理器為主控芯片，HPM6E80為雙核處理器，每個核主頻高達 600MHZ，具有豐富的外設，采用單顆芯片方案即可實現(xiàn)EtherCAT總線伺服系統(tǒng)的應用。

方案優(yōu)勢：

模塊化設計，可擴展EtherCAT總線PLC及總線模塊。

逆變軸共母線，能量回饋與能量消耗形成動態(tài)平衡，節(jié)省電能。

體積小,功率密度高，4軸節(jié)省25%空間，6軸節(jié)省35%空間。

內置MOS控制抱閘通斷，抱閘接線更簡單。

優(yōu)化硬件設計，多軸伺服漏電流小。

可搭配EtherCAT總線PLC模塊，多軸驅動和驅控一體同時覆蓋。

EtherCAT采用單芯片實現(xiàn)，穩(wěn)定性更好，成本更優(yōu)。

電流環(huán)刷新頻率64KHZ，速度環(huán)帶寬3.1KHZ。

合作伙伴：深圳顯控科技股份有限公司

應用分享二：多軸伺服驅動方案

NT6E80是由勁臣電子精心打造的一款高性能多軸伺服驅動方案，核心搭載了國產(chǎn)自主研發(fā)的先楫HPM6E80 RISC-V雙核處理器，性能強勁，能夠無縫支持伺服系統(tǒng)控制、遠程IO管理及工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關等多種應用場景，展現(xiàn)了卓越的兼容性和靈活性。該產(chǎn)品設計精巧，配備1個輸入與2個輸出的EtherCAT端口，輕松駕馭4軸電機的同時，還內置了8通道數(shù)字輸入，以滿足多樣化控制需求。為進一步適應復雜的工業(yè)現(xiàn)場，南天NT6E80還配備了CAN總線、RS485通訊以及IO-Link接口，確保了廣泛的設備互連性。此外，提供的一路千兆以太網(wǎng)接口，為上位機通訊提供了高速通道，強化了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互能力。

專為嚴苛工業(yè)環(huán)境設計，NT6E80在關鍵功能上實施了隔離保護措施，并全面采用了高標準工業(yè)級元器件，確保了主板的可靠性和耐用性，是現(xiàn)代智能制造領域中不可或缺的高性能驅動解決方案。

合作伙伴：上海勁臣電子科技有限公司

應用分享三：交流伺服驅動平臺

QM7E系列伺服采用先楫高性能HM6E00芯片，結合先進伺服軟件算法，具備參數(shù)自整定、伺服單參數(shù)調整、共振抑制等功能，具備高性價比、高性能、高可靠性，調試簡單易調整等特點?？梢赃m配多種編碼器協(xié)議，例如NRZ協(xié)議，BISS-c協(xié)議，QMA（莫森自有）協(xié)議等，支持17/23/25/26位分辨率編碼器。基于其優(yōu)異的性能指標和高可靠性設計，可應用于包括但不限于雕銑雕刻，激光切割，印刷包裝，紡織機械，3C制造，機床，機械手機器人等行業(yè)。

方案特點：

速度控制范圍：1：5000 r/min

速度環(huán)響應頻率：3k Hz

速度波動：≤0.1％

轉矩波動:≤2%

合作伙伴：沈陽莫森軟件有限公司

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HPM6E00開發(fā)板

目前，HPM6E00開發(fā)板已在先楫半導體官網(wǎng)正式開售，售價￥498。

HPM6E00EVK提供雙百兆網(wǎng)口，實現(xiàn)ESC功能，RGMII千兆網(wǎng)口，CAN接口，音頻接口，sigma-detal 轉換接口，HS USB接口以及標準的電機接口可以適配先楫的電機驅動板。同時HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽，方便用戶實現(xiàn)各類總線接口，并默認提供FEMC/PPI子板，可以實現(xiàn)SDRAM和并口的ADC采樣功能。此外，還提供樹莓派接口以及板載的調試接口可以方便用戶進行調試，同時也提供標準的JTAG接口供用戶選擇。

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供貨信息

HPM6E00現(xiàn)已提供完整的樣片、開發(fā)板和軟件開發(fā)包支持。在硬件配套方面，HPM6E00的開發(fā)板購買鏈接已在先楫半導體官網(wǎng)上線。6月27日起陸續(xù)發(fā)貨，適配HPM6E00EVK的hpm_sdk v1.6.0將于6月30日上線。

HPM6E00系列已全面量產(chǎn)并可接受大批量訂單。有關芯片樣片申請與購買事宜，請聯(lián)系先楫半導體的銷售、官方代理商和方案設計公司。

先楫半導體已量產(chǎn)的高性能工業(yè)、車規(guī)MCU產(chǎn)品表

關于ETG

EtherCAT技術協(xié)會確保EtherCAT技術對所有潛在用戶開放。EtherCAT設備制造商、技術提供商和用戶共同推動該技術的發(fā)展。ETG的多個技術工作組的專家致力于EtherCAT各方面具體工作。所有活動旨在一個共同目標：保持EtherCAT的穩(wěn)定性和互操作性。這就是為什么只有一個版本的EtherCAT，而非每年發(fā)布一個新版本的原因。ETG每年在歐洲、亞洲和美國舉辦多次Plug Fest活動。Plug Fest活動聚集EtherCAT設備研發(fā)者進行測試，以保證設備的互操作性。每個制造商在產(chǎn)品發(fā)布前應使用官方EtherCAT一致性測試工具對其EtherCAT設備進行一致性測試。在成功通過了授權測試實驗室的測試后，ETG將為制造商頒發(fā)一致性證書。ETG組織的研討會、workshop，以及代表EtherCAT參加的展會遍布全球。同時，ETG還提供產(chǎn)品指南、聯(lián)合展臺和研討會展示，幫助會員推廣其EtherCAT產(chǎn)品。

關于先楫半導體

“先楫半導體”（HPMicro）是一家致力于高性能嵌入式解決方案的半導體公司，總部位于上海，產(chǎn)品覆蓋微控制器、微處理器和周邊芯片，以及配套的開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)。公司成立于2020年6月，總部坐落于上海市浦東軟件園區(qū)，并在天津、蘇州、深圳和杭州均設立分公司。核心團隊來自世界知名半導體公司管理團隊，具有15年以上，超過20個SoC的豐富的研發(fā)及管理經(jīng)驗。先楫半導體以產(chǎn)品質量為本，所有產(chǎn)品均通過嚴格的可靠性測試。目前已經(jīng)量產(chǎn)的高性能通用MCU產(chǎn)品包含HPM6700/6400、HPM6300、HPM6200、HPM5300及HPM6800系列，性能領先國際同類產(chǎn)品并通過AEC-Q100認證。公司已完成ISO9001質量管理認證和ISO 26262/IEC61508功能安全管理體系雙認證，全力服務中國乃至全球的工業(yè)、汽車和能源市場。