為工業(yè)以太網(wǎng)和電機(jī)控制而生，先楫HPM6E00跨界MCU開(kāi)始量產(chǎn)

半導(dǎo)體業(yè)界在幾年前提出了跨界MCU的概念，就是在保持傳統(tǒng)MCU高實(shí)時(shí)性和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)之上，在算力、圖像處理、通信速度，以及控制能力上進(jìn)一步提升，以滿足市場(chǎng)對(duì)MCU性能增長(zhǎng)的需求。

正是因?yàn)镸CU的這種變化，不斷擴(kuò)大了傳統(tǒng)MCU的應(yīng)用范圍，同時(shí)以前需要使用DSP，SoC，甚至FPGA的應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)始出現(xiàn)了MCU的身影，特別是一些工業(yè)和電機(jī)控制應(yīng)用場(chǎng)景。在過(guò)去幾年，不論是國(guó)際MCU廠商，還是國(guó)內(nèi)MCU廠商在跨界MCU方面有所投入，包括新產(chǎn)品和相關(guān)生態(tài)，先楫半導(dǎo)體就是其中之一。

不久前，先楫半導(dǎo)體率先推出了一款專為工業(yè)以太網(wǎng)和電機(jī)控制而生的跨界MCU產(chǎn)品HPM6E00系列。該系列MCU集成了德國(guó)倍福公司（Beckhoff）正式授權(quán)的EterhCAT 從站控制器 (ESC: EtherCAT Slave Controller)、高性能RISC-V內(nèi)核CPU，以及豐富的運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)。

圖：先楫半導(dǎo)體新推出的HPM6E00系列MCU（來(lái)源：先楫半導(dǎo)體）

先楫半導(dǎo)體董事長(zhǎng)兼CEO曾勁濤表示，先楫半導(dǎo)體看到了MCU跨界發(fā)展趨勢(shì)，成立之初就從高性能MCU切入，推出了第一款高性能的MCU產(chǎn)品HPM6700，隨后根據(jù)客戶的需求，依托自身的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新能力，依次推出了高性價(jià)比的HPM6300、集成精準(zhǔn)控制的HPM6200、集成運(yùn)動(dòng)控制的HPM5300、集成儀表顯示的HPM6800，以及最新的集成了ESC的HPM6E00系列。

圖：先楫半導(dǎo)體董事長(zhǎng)兼CEO曾勁濤

他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，先楫半導(dǎo)體非常重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，HPM6E00系列是國(guó)內(nèi)首款擁有德國(guó)倍福公司正式授權(quán)的EtherCAT從站控制器的高性能MCU產(chǎn)品。
據(jù)先楫官方介紹，HPM6E00具備高性能運(yùn)動(dòng)控制、高實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的特性，提供RISC-V雙核、多達(dá)3端口千兆以太網(wǎng)路由模塊，支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN: Time-Sensitive Networking)，具有32路高分辨率PWM輸出、16位ADC、Σ-?數(shù)字濾波等外設(shè)模塊?？梢哉f(shuō)，HPM6E00系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高性能MCU與高實(shí)時(shí)性、低延時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)合，能夠幫助行業(yè)客戶實(shí)現(xiàn)高性能伺服電機(jī)控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等多樣化應(yīng)用落地。

HPM6E00系列主要特性先楫半導(dǎo)體產(chǎn)品總監(jiān)費(fèi)振東在HPM6E00新品發(fā)布會(huì)上介紹，HPM6E00是先楫獲得倍福EtherCAT從站控制器授權(quán)后，將EtherCAT與其他高速以太網(wǎng)，以及先楫之前成功應(yīng)用的高性能運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)結(jié)合在一起的產(chǎn)物。

HPM6E00系列主要包括四個(gè)型號(hào)：HPM6E80、HPM6E70、HPM6E60及HPM6E50。其中，HPM6E80、HPM6E70是雙核版本，具有兩顆主頻高達(dá)600MHz的RISC-V內(nèi)核CPU，支持2MB的片上SRAM，包括每個(gè)內(nèi)核內(nèi)部各有256KB的ILM（指令本地存儲(chǔ)器）和256KB的DLM（數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)器）高速存儲(chǔ)器；除了支持3端口的EtherCAT從站控制器之外，還具有一個(gè)千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，其中HPM6E80支持TSN特性，HPM6E70不支持。具有32通道的PWM模塊、2套硬件環(huán)路控制系統(tǒng)、4套精確位置系統(tǒng)等

HPM6E60與HPM6E50則是單核版本，具有一顆主頻高達(dá)600MHz的RISC-V內(nèi)核。其中HPM6E50配置最為精簡(jiǎn)，性價(jià)比最高。它具有1MB的片上SRAM，支持2端口EtherCAT從站控制器，不支持TSN以太網(wǎng)交換機(jī)，PWM方面支持32通道，但硬件環(huán)路控制系統(tǒng)僅有1套，且精確位置系統(tǒng)也縮減到了2套，因此可以支持2軸伺服電機(jī)控制。

圖：HPM6E00系列產(chǎn)品內(nèi)部系統(tǒng)框圖（來(lái)源：先楫半導(dǎo)體）

模擬

整個(gè)HPM6E00系列，包括HPM6E80和HPM6E70都支持4個(gè)16位的片上SAR逐次逼近型ADC，轉(zhuǎn)換率可達(dá)2MSPS。支持Σ-Δ數(shù)字濾波，總共支持2個(gè)4通道Σ-Δ數(shù)字濾波器，因此，它可以采集總共8通道的模擬量。HPM6E50則支持總共4通道Σ-Δ數(shù)字濾波器，支持4個(gè)模擬量的采集；支持3個(gè)16位的2MSPS采樣ADC。

通信接口

具有1 個(gè)內(nèi)置 PHY 的高速 USB，多達(dá) 8路 CAN/CAN-FD 接口、17個(gè)UART串口、8個(gè)SPI和8個(gè)I2C接口。

外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展

支持SDRAM擴(kuò)展，及SRAM的擴(kuò)展，同時(shí)支持并口總線，可以支持包括FPGA在內(nèi)的各類外部設(shè)備。

封裝

HPM6E00系列支持兩種GBA封裝，分別是14×14mm的289Pin封裝和12×12mm的196Pin封裝。選用的球間距是0.8mm，而且相同封裝的引腳是兼容的，方便客戶方案的PCB設(shè)計(jì)。

溫度范圍

支持-40℃到105℃的寬溫度范圍，支持惡劣的應(yīng)用場(chǎng)景。

值得注意的是，HPM6E00系列已于2024年6月27日全面上市。全部型號(hào)都已經(jīng)正式量產(chǎn)，可以接受客戶的量產(chǎn)訂單。HPM6E00系列的兩大亮點(diǎn)前面有提到，HPM6E00系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制與高實(shí)時(shí)性、低延時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的完美結(jié)合，那么HPM6E00是如何實(shí)現(xiàn)的呢？主要是因?yàn)橄乳?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片內(nèi)部集成了倍福授權(quán)的EtherCAT從站控制器以及先楫自身的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這也是這款產(chǎn)品的兩大亮點(diǎn)。
首先我們來(lái)看一下HPM6E00的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)。HPM6E80/ HPM6E70都支持高性能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)，包括正版的EtherCAT從站控制器，一共支持3個(gè)端口，其中HPM6E80還支持一個(gè)TSN交換機(jī)，可以支持3個(gè)外部端口和一個(gè)內(nèi)部端口，以及一個(gè)千兆以太網(wǎng)MAC控制器。

由于先楫將EtherCAT從站控制器集成在了芯片上，因此，它的PDI（Process Data Interface）集成在了芯片內(nèi)部，通過(guò)高速的系統(tǒng)總線相連接，支持HPM6E00系列的CPU與DMA之間的通信，相比通過(guò)SPI口，或者并口來(lái)外擴(kuò)的獨(dú)立式的從站控制器來(lái)說(shuō)，使用系統(tǒng)總線來(lái)連接PDI接口，可以獲得更加高速的訪問(wèn)效率。
EtherCAT從站控制器還支持3個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，因此，既可以支持使用兩個(gè)端口的鏈?zhǔn)紼therCAT設(shè)備組網(wǎng)，也支持Y型的EtherCAT設(shè)備組網(wǎng)。此外，EtherCAT從站控制器支持8個(gè)FMMU、8個(gè)SyncManager、支持60KB Process Data RAM，64比特的分布式時(shí)鐘。
從站控制器跟內(nèi)部有一個(gè)同步信號(hào)，可以把EtherCAT的同步信號(hào)直接通過(guò)Sync信號(hào)連接到芯片的觸發(fā)互聯(lián)系統(tǒng)，允許EtherCAT的時(shí)間網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部的電機(jī)控制外設(shè)進(jìn)行同步。
另外，因?yàn)镋hterCAT從站控制器需要外擴(kuò)EEPROM來(lái)存儲(chǔ)各類EtherCAT的設(shè)備控制信息，因此，先楫的HPM6E00系列支持直接通過(guò)I2C總線來(lái)連接外部的EEPROM，或者支持通過(guò)片內(nèi)的Flash去模擬EEPROM，讓用戶可以省掉外擴(kuò)的EEPROM的存儲(chǔ)設(shè)備。
HPM6E00系列的另外一大亮點(diǎn)就是其增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在運(yùn)動(dòng)控制方面，一是HPM6E00系列支持4個(gè)8通道增強(qiáng)型PWM控制器，且調(diào)制精度高達(dá)100ps。這不僅在伺服電機(jī)控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，在數(shù)字電源領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。

二是集成了精確的位置系統(tǒng)，包括各類運(yùn)動(dòng)控制的編碼器接口，比如支持了4套SEI串行編碼器接口，這是一個(gè)可編程的編碼器接口。據(jù)悉，用戶在應(yīng)用過(guò)程中，由于伺服驅(qū)動(dòng)器往往需要進(jìn)行精確的位置感應(yīng)，因此，需要對(duì)接各類絕對(duì)式的位置傳感器接口，這些位置傳感器往往會(huì)來(lái)自不同的廠家，而在市場(chǎng)上流行著非常多的不同廠家，不同制式，不同協(xié)議的通信類絕對(duì)式編碼器。針對(duì)此種情況，先楫專門設(shè)計(jì)了這個(gè)可編程的SEI編碼器接口模塊，可以實(shí)現(xiàn)用戶只需要簡(jiǎn)單配置軟件，就可以適配市面上各類的，各個(gè)廠家的位置傳感器，包括多摩川協(xié)議、BiSS-C協(xié)議、以及EnDat 2.2協(xié)議等，由于它是可編程結(jié)構(gòu)，因此用戶也可以實(shí)現(xiàn)自定義的編碼器接口。

三是芯片上集成了正交式、脈沖式編碼器輸入，包括4套正交輸入模塊QEIv2，不但可以支持ADC格式的脈沖式位置傳感器輸入，也可以接收脈沖型伺服系統(tǒng)當(dāng)中常見(jiàn)的正脈沖和負(fù)脈沖，以及脈沖+方向脈沖型位置接口。同樣還支持4套正交式脈沖型位置傳感器輸出系統(tǒng)QEO，因此在單芯片上，直接實(shí)現(xiàn)從正交型的輸入到輸出，直接進(jìn)行脈沖分頻的系統(tǒng)。
四是支持旋變解碼模塊RDC和磁編碼器接口，可以支持旋變解碼器，適用于高溫高壓等復(fù)雜的電磁場(chǎng)景應(yīng)用。
五是芯片還支持硬件環(huán)路控制系統(tǒng)，包括一個(gè)硬件坐標(biāo)變換器VSC、可以支持硬件的Clark和Park變換，還有一個(gè)環(huán)路計(jì)算器CLC，支持最多到3階，就是2階再串聯(lián)1階這樣的硬件環(huán)路控制。

HPM6E00生態(tài)支持
MCU從來(lái)都不僅僅只是提供一款產(chǎn)品就足夠了，還需要生態(tài)的支持，先楫在這方面也做了相當(dāng)多的工作，與HPM6E00系列MCU配套的開(kāi)發(fā)套件和SDK也都已經(jīng)同步更新。其中，HPM6E00開(kāi)發(fā)板現(xiàn)已在先楫半導(dǎo)體官網(wǎng)正式開(kāi)售，售價(jià)￥498。HPM6E00EVK提供雙百兆網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)ESC功能，RGMII千兆網(wǎng)口，CAN接口，音頻接口，sigma-detal 轉(zhuǎn)換接口，HS USB接口以及標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)接口可以適配先楫的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。同時(shí)HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽，方便用戶實(shí)現(xiàn)各類總線接口，并默認(rèn)提供FEMC/PPI子板，可以實(shí)現(xiàn)SDRAM和并口的ADC采樣功能。此外，還提供樹(shù)莓派接口以及板載的調(diào)試接口可以方便用戶進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)也提供標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口供用戶選擇。
另外，SDK也已經(jīng)更新到了最新的hpm_sdk v1.6.0版本，新版SDK已經(jīng)全面適配HPM6E00系列。針對(duì)EtherCAT相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)方面，先楫做了EtherCAT從棧軟件適配。支持ESM的狀態(tài)機(jī)、CAN over EtherCAT，也支持同步模式、Free Run、Sync Manager同步，以及DC分布式時(shí)鐘的同步，另外，在SDK內(nèi)部還提供了EtherCAT I/O的例程。據(jù)費(fèi)振東透露，更加豐富的EtherCAT相關(guān)的軟件例程也在開(kāi)發(fā)當(dāng)中。
值得注意的是，SDK的最新版本當(dāng)中，還提供了全套的電機(jī)控制系統(tǒng)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，包括PWM、QEI、QEO、SEI、RDC等，都有完整的驅(qū)動(dòng)和例程。還有，Hpm pinmux tool，也就是在線引腳編輯工具也已經(jīng)提供了在線版本。可以訪問(wèn)網(wǎng)站直接使用在線引腳分配工具。
費(fèi)振東強(qiáng)調(diào)，先楫的SDK全套代碼都已免費(fèi)開(kāi)源，目前最新版本已經(jīng)推送到了國(guó)內(nèi)和國(guó)際的代碼倉(cāng)庫(kù)，包括GitHub和Gitee。費(fèi)振東最后總結(jié)說(shuō)，先楫的目標(biāo)是希望能夠?yàn)榭蛻籼峁┮徽椎慕鉀Q方案，此次先楫推出的HPM6E00系列，支持的引腳范圍是196pin和289pin，未來(lái)會(huì)推出更多不同規(guī)格的產(chǎn)品來(lái)滿足客戶不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。