国内工业芯标杆：首款获得EtherCAT官方授权的MCU上市

刘于苇

 

电子工程专辑（EETimes China）副主分析师

 

中国亟需拥有一款自主可控、“正牌官方授权”EtherCAT 从站控制器的工业级高性能MCU。这家成立不到4年的年轻公司做到了……

 

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology）是一种架构开放、但不开源的高速工业以太网通信协议，最早由德国倍福公司（Beckhoff）在2003年提出。作为一项高性能、低成本、应用简易、拓扑灵活的工业以太网技术，近年来广泛应用于工业自动化领域，已经成为全球市场上最通用和增长最快的工业实时以太网协议，在中国和全球拥有大量的用户。

现场总线、 工业以太网和无线的市场份额

（来源：HMS Networks，2024 年） 

 

每年，HMS Networks都会对工业网络市场进行全面分析，旨在估计工厂自动化中按类型和协议划分的新连接节点的分布情况。最新研究表明，工业网络市场继续扩张，预计2024年将增长7%。

 

值得注意的是，工业以太网仍然占据主导地位，占所有新安装节点的71%（去年为68%）。与此同时，现场总线从24%下降到22%，无线技术从8%略微下降到7%。在最有力的竞争者中，PROFINET占新安装节点的23%，紧随其后的是EtherNet/IP，占21%，EtherCAT的受欢迎程度仍然很高，目前占16%。

近年来EtherCAT节点数量增长情况（来源：ETG）

 

2023年，在EtherCAT诞生20周年之际，现场总线组织EtherCAT技术协会（ETG）首次公开了全球节点数。据统计，全球EtherCAT节点数已高达7700万个，仅在2023年便新增了1800万个。这些数据均基于实际售出的EtherCAT芯片数量得出，但不包括总线模块使用的芯片。一个模块化I/O站被统计为1个节点，即使它由多个EtherCAT总线模块组成。

 

EtherCAT技术协会执行董事Martin Rostan先生解释道，“原本我们预计半导体危机结束后，芯片销量会有所下滑，因为市场上的芯片库存量已远超短期需求。然而，尽管2023年市场整体经济环境有所降温，EtherCAT的增长步伐却依旧未停。”

 

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EtherCAT的工作原理

资料显示，EtherCAT是国际标准(IEC 61158, IEC 61784, IEC 61800, ISO 15745)，同时也是SEMI标准(E54.20)，它基于传统的以太网协议进行修改，因此兼容性很强，可以与其他以太网协议并存于统一总线，数据传输速度可以达到100Mbit/s，是目前已知最快的工业以太网技术。

 

EtherCAT最大限度利用以太网带宽进行数据传输，有效数据利用率可达90%以上。数据帧处理的实时性很高，数据刷新周期小于100us，可满足对实时性要求高的场合，使用高精度的分布式时钟，能保证各个从站节点设备的同步精度小于1us。

标准以太网框架中的 EtherCAT（符合 IEEE 802.3）

 

EtherCAT结构简单，而无需交换机或集线器，在网络拓扑方面没有限制，支持多种网络拓扑结构，如线型、星型、树型拓扑结构，以及各种拓扑结构的组合，从而使得设备连接非常灵活。

 

一般来说，EtherCAT是一个环状的网络，由一个主站（Master）与多个从站（Slave）所组成。

EtherCAT的运行原理（来源：ETG）

 

任何具有标准以太网控制器的设备都可以作为EtherCAT 主站，包括PC计算机、带有以太网控制器的嵌入式设备。主站可以用软件，在标准的以太网媒体接入控制器中实现，是网段内唯一能够主动发送 EtherCAT 数据帧的节点，其他节点仅传送数据帧。这一设计是为了避免不可预知的延时，从而保证 EtherCAT 的实时性能。由于主站采用标准的以太网介质访问控制器（MAC），无需额外的通信处理器。

 

同理，任何复杂功能的节点设备或简单的I/O节点都可以用作EtherCAT从站，不仅使网络性能可预测，而且其性能独立于具体的从站设备实施方式。但需要特殊的EtherCAT从站控制器（EtherCAT Slave Controller，简称ESC），才能实现飞速传输（processing on the fly）的技术。

ESC中的“on the fly”（高速动态数据处理）

（来源：ETG）

 

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为什么需要一款国产EtherCAT工业芯片？

正如前文所说，EtherCAT技术并不开源，所以任何相关设备的开发，都需要获取相关授权。

 

ETG方面的规则是，对于EtherCAT主站实施的授权是免费的，但协议要求兼容性，以确保授权免费并提供法律效力。对于从站设备，EtherCAT采用了CAN的授权模式（CAN是一个受专利保护的标准开放技术的样本）：其授权费用已经“嵌入到”EtherCAT 从站控制器（ESC）芯片中，因此ESC供应商需要一个许可，而设备制造商，最终用户，系统集成商，工具生产商等无需再付授权费用。这个授权一般都需要从EtherCAT的专利方Beckhoff获得。

 

相较于国际市场，中国工业芯片厂商在获得ESC授权方面起步较晚，所以这项技术虽然在中国工业领域被广泛应用，但长年以来使用基本上都是德州仪器（TI）、瑞萨（Renesas）、英飞凌（Infineo）等国外品牌 MCU 。即便国内有的芯片厂商宣称自己支持EtherCAT，授权也非来自Beckhoff官方，这即为后期获得技术支持和软件更新带来隐患，也令国产工控设备在进军海外市场时面临合规挑战。

 

近年来，中国政府大力推动工业升级和智能制造，这个全球最大的工业自动化市场对高性能通信协议的需求越来越大。在工业自动化场景下，通讯协议需要具备实时性和高容错率的特点，例如在生产线上的电机协同工作中，不同节点间的信息交换需近乎实时且无缝对接。这不仅适用于当前的机器人技术，也扩展到了未来的光伏等领域。

 

国内厂商开始意识到EtherCAT技术的重要性，并逐步寻求获得ESC授权，以提高自身产品的竞争力；获得ESC授权还能促使它们参与到更广泛的EtherCAT生态系统中，包括与国内外设备制造商、系统集成商的合作。 

 

中国亟需拥有一款自主可控、“正牌官方授权”EtherCAT 从站控制器的工业级高性能MCU。

 

先楫半导体（HPMicro），这家成立不到4年的年轻公司做到了。

 

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国内首款正版ESC授权工控MCU

2024年2 月 12 日，先楫半导体宣布中国首款拥有Beckhoff正式授权 EtherCAT 从站控制器的高性能 MCU 产品HPM6E00成功点亮，并顺利完成第一阶段验证。在随后的第一季度，该产品成功流片并陆续提供样品给客户。

 

对此，Martin Rostan先生曾高度赞扬EtherCAT技术在中国市场的发展，他说，“中国市场是近年来全球EtherCAT技术发展速度最快的一个市场，在中国的用户数量已经赶超欧美用户。我很高兴看到中国的企业上海先楫半导体能够成为首家推出内嵌ESC的高性能微控制器产品的公司。我们期待看到先楫与各企业一起合作，进一步推动中国EtherCAT技术及产品应用的市场繁荣。”

 

6月27日，先楫半导体宣布HPM6E00系列已实现量产并全面上市。这款产品的推出，填补了国内市场空白，代表中国在 EtherCAT 上内嵌 ESC 的高性能 MCU 产品已经达到国际水平。

 

据介绍，该系列产品具备高性能运动控制、高实时工业以太网互联的特性、 提供RISC-V 双核，多达3端口千兆以太路由模块，支持多种工业以太网协议和时间敏感网络 (TSN: Time-Sensitive Networking)，支持32 路高分辨率 PWM 输出、16位ADC、Σ∆ 数字滤波，带有专业的编码器管理模块、灵活的外部总线和敏捷的硬件电流环功能，在高精度运动控制系统中具备得天独厚的优势。

 

先楫半导体创始人兼CEO曾劲涛表示，传统的485通信速度较低，更高的数据传输速率（如千兆）能够大幅提升传输速度和数据存储量，提高效率并降低错误率。此外，由于串行协议具有良好的可靠性和实用性，使得实时通讯在工业领域的广泛应用成为可能。

 

先楫半导体HPM6E00系列产品致力于将硬件和控制环路小型化，实现了高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的高度集成，避免了信号处理过程中的二次运算，提高了整体效率。十分适合用于高性能伺服电机控制、机器人运动控制、数据传输系统和监控系统等多样化应用中。

 

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业界大佬怎么看？

对于这款产品的推出，业界可谓期盼已久，以下是来自先楫半导体高层以及部分客户的点评：

 

“HPM6E00内置德国倍福公司授权的正版EtherCAT 从站控制器 IP，为先楫客户全面排除了IP上的风险。先楫MCU是中国定义、中国设计、中国制造、为中国服务的产品。这款产品填补了国内MCU市场的空白，也标志着我国工业MCU已经在达到了国际先进水平。”

——先楫半导体创始人兼CEO，曾劲涛

 

中国产业升级、 企业出海，在这样的市场发展需求中，我们推出了这款市场期待已久的HPM6E00，它的一大亮点是集成高性能和EtherCAT技术，EtherCAT作为最通用和增长最快的工业实时以太网协议在中国和全球拥有大量的用户，先楫会携手更多合作伙伴一起进行资源共享、方案共创和技术创新等合作。”

——先楫半导体执行副总裁 市场销售，陈丹（Danny Chen）

 

“EtherCAT Technology Group has more than 7700 member companies from 75 countries. We're also the fastest growing organization in the world with more than 500 new members in the last 12 months.”

——EtherCAT技术协会（ETG）全球执行董事和主席，Martin Rostan

 

“这是一款市场上呼唤已久的产品，我们期待HPM6E00这款高性能微控制器能够尽快在各个领域应用落地，大放异彩。”

——广州致远电子股份有限公司董事长兼总经理，周立功

 

“三旺通信在工业领域已深耕20余年，我们深刻感知这款产品的发布在工业互联网时代的意义。”

——深圳市三旺通信股份有限公司联合创始人，吴健

 

“我们之前就有跟先楫合作，先楫的产品性能及稳定性非常不错。从前年开始我们就在找国内具备高主频、高算力、带EtherCAT接口的芯片，先楫HPM6E00产品刚好满足需求，帮助我们快速的推出产品。祝贺先楫产品成功上市，给工业市场创造更好的选择。”

——深圳显控科技股份有限公司董事长，宋斌

 

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HPM6E00产品性能详解

主频 600 MHz，RISC-V 双核， 片上内存可达 2 MB。

 

实时以太网系统：

• 千兆以太网交换机，支持多达 3 个外部端口和 1 个内部端口，支持时间敏感网络。

• EtherCAT 从站控制器，支持多达 3 个端口。

 

增强运动控制系统：

• 4 个 8 通道增强型 PWM 控制器，PWM 调制精度高达 100ps。

• 多种运动传感器接口，包括增量式和绝对值位置传感器接口，旋转变压器接口和磁编码器接口。

• 脉冲式位置输出接口和绝对值位置输出接口。

• 运动和位置控制单元。

• 硬件空间矢量变换和闭环控制单元。

• 可编程逻辑单元 PLB。

 

电源系统：

• 集成高效率 DCDC 转换器和 LDO, 支持系统单电源供电，可动态调节输出电压实现性能-功耗平衡，兼顾了电源的灵活性，易用性和效率。

• 多电源域设计，灵活支持各种低功耗模式。

• 超低功耗待机。

 

丰富外设：

• 多种通讯接口：1 个内置 PHY 的高速 USB，多达 8路 CAN/CAN-FD，以及丰富的 UART、SPI、I2C 等外设。

• Σ∆ 数字滤波 SDM，包含 SINC 数字滤波器，可外接Σ∆ 调制器。

• 4 个 2MSPS 16 位高精度 ADC，配置为 12 位精度时转换率可达 4MSPS，多达 32 个模拟输入通道；8 个模拟比较器。

• 多达 20 路 32 位定时器，5 个看门狗和 RTC。

• 2 个 8 通道 I2S 和数字麦克风。

 

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应用案例

应用分享一：驱控一体多轴伺服驱动器

Samkoon M9是一款模块化可扩展EtherCAT总线伺服驱动器，整流模块支持3-5KW，逆变模块支持400W-750W单双轴以及1500W单轴输出，支持内置抱闸继电器，支持TYPE-C USB调试接口，配合上位机可以实现伺服参数的快速导出导入及曲线波形监视。M9系列伺服以完全国产自主的RISC-V内核的HPM6E80处理器为主控芯片，HPM6E80为双核处理器，每个核主频高达 600MHZ，具有丰富的外设，采用单颗芯片方案即可实现EtherCAT总线伺服系统的应用。

 

方案优势：

模块化设计，可扩展EtherCAT总线PLC及总线模块。

逆变轴共母线，能量回馈与能量消耗形成动态平衡，节省电能。
 

体积小,功率密度高，4轴节省25%空间，6轴节省35%空间。

内置MOS控制抱闸通断，抱闸接线更简单。

优化硬件设计，多轴伺服漏电流小。

可搭配EtherCAT总线PLC模块，多轴驱动和驱控一体同时覆盖。

EtherCAT采用单芯片实现，稳定性更好，成本更优。

电流环刷新频率64KHZ，速度环带宽3.1KHZ。

 

合作伙伴：深圳显控科技股份有限公司

 

 

应用分享二：多轴伺服驱动方案

NT6E80是由劲臣电子精心打造的一款高性能多轴伺服驱动方案，核心搭载了国产自主研发的先楫HPM6E80 RISC-V双核处理器，性能强劲，能够无缝支持伺服系统控制、远程IO管理及工业以太网网关等多种应用场景，展现了卓越的兼容性和灵活性。该产品设计精巧，配备1个输入与2个输出的EtherCAT端口，轻松驾驭4轴电机的同时，还内置了8通道数字输入，以满足多样化控制需求。为进一步适应复杂的工业现场，南天NT6E80还配备了CAN总线、RS485通讯以及IO-Link接口，确保了广泛的设备互连性。此外，提供的一路千兆以太网接口，为上位机通讯提供了高速通道，强化了系统的数据交互能力。

 

专为严苛工业环境设计，NT6E80在关键功能上实施了隔离保护措施，并全面采用了高标准工业级元器件，确保了主板的可靠性和耐用性，是现代智能制造领域中不可或缺的高性能驱动解决方案。

合作伙伴：上海劲臣电子科技有限公司

 

 

应用分享三：交流伺服驱动平台

QM7E系列伺服采用先楫高性能HM6E00芯片，结合先进伺服软件算法，具备参数自整定、伺服单参数调整、共振抑制等功能，具备高性价比、高性能、高可靠性，调试简单易调整等特点。可以适配多种编码器协议，例如NRZ协议，BISS-c协议，QMA（莫森自有）协议等，支持17/23/25/26位分辨率编码器。基于其优异的性能指标和高可靠性设计，可应用于包括但不限于雕铣雕刻，激光切割，印刷包装，纺织机械，3C制造，机床，机械手机器人等行业。

方案特点：

速度控制范围：1：5000 r/min

速度环响应频率：3k Hz

速度波动：≤ 0.1％

转矩波动: ≤ 2%

 

合作伙伴：沈阳莫森软件有限公司

 

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HPM6E00开发板

目前，HPM6E00开发板已在先楫半导体官网正式开售，售价￥498。

HPM6E00EVK提供双百兆网口，实现ESC功能，RGMII千兆网口，CAN接口，音频接口，sigma-detal 转换接口，HS USB接口以及标准的电机接口可以适配先楫的电机驱动板。同时HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽，方便用户实现各类总线接口，并默认提供FEMC/PPI子板，可以实现SDRAM和并口的ADC采样功能。此外，还提供树莓派接口以及板载的调试接口可以方便用户进行调试，同时也提供标准的JTAG接口供用户选择。

 

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供货信息

HPM6E00现已提供完整的样片、开发板和软件开发包支持。在硬件配套方面，HPM6E00的开发板购买链接已在先楫半导体官网上线。6月27日起陆续发货，适配HPM6E00EVK的hpm_sdk v1.6.0将于6月30日上线。

 

HPM6E00系列已全面量产并可接受大批量订单。有关芯片样片申请与购买事宜，请联系先楫半导体的销售、官方代理商和方案设计公司。

先楫半导体已量产的高性能工业、车规MCU产品表

 

 

 

 

关于ETG

EtherCAT技术协会确保EtherCAT技术对所有潜在用户开放。EtherCAT设备制造商、技术提供商和用户共同推动该技术的发展。ETG的多个技术工作组的专家致力于EtherCAT各方面具体工作。所有活动旨在一个共同目标：保持EtherCAT的稳定性和互操作性。这就是为什么只有一个版本的EtherCAT，而非每年发布一个新版本的原因。ETG每年在欧洲、亚洲和美国举办多次Plug Fest活动。Plug Fest活动聚集EtherCAT设备研发者进行测试，以保证设备的互操作性。每个制造商在产品发布前应使用官方EtherCAT一致性测试工具对其EtherCAT设备进行一致性测试。在成功通过了授权测试实验室的测试后，ETG将为制造商颁发一致性证书。ETG组织的研讨会、workshop，以及代表EtherCAT参加的展会遍布全球。同时，ETG还提供产品指南、联合展台和研讨会展示，帮助会员推广其EtherCAT产品。 

 

关于先楫半导体

“先楫半导体”（HPMicro）是一家致力于高性能嵌入式解决方案的半导体公司，总部位于上海，产品覆盖微控制器、微处理器和周边芯片，以及配套的开发工具和生态系统。公司成立于2020年6月，总部坐落于上海市浦东软件园区，并在天津、苏州、深圳和杭州均设立分公司。核心团队来自世界知名半导体公司管理团队，具有15年以上，超过20个SoC的丰富的研发及管理经验。先楫半导体以产品质量为本，所有产品均通过严格的可靠性测试。目前已经量产的高性能通用MCU产品包含HPM6700/6400、HPM6300、HPM6200、HPM5300及HPM6800系列，性能领先国际同类产品并通过AEC-Q100认证。公司已完成ISO9001质量管理认证和ISO 26262/IEC61508功能安全管理体系双认证，全力服务中国乃至全球的工业、汽车和能源市场。