媒体视角 | 产研:发力工控市场,为何各大MCU巨头纷纷支持 EtherCAT?

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编者荐语:此次先楫的HPM6E00系列获得EtherCAT授权,与国外MCU先进厂商站在了同一起跑线上,也标志着国产MCU在高端市场迈出了赶超国外同类竞品的重要一步。
 

作者专栏


 

工业控制是全球MCU的第二大应用领域。这些MCU在PLC控制器、电机、仪表和工业机器人中起关键作用。Statista预计全球工业控制和自动化市场将从2022年的2343亿美元增长到2026年的3396亿美元,年均增长率为9.7%。随着我国制造业智能化水平的不断升级,数控机床、精密机械、锂电设备、新能源汽车、机器人等高科技含量的新兴产业逐渐崭露头角,MCU作为工业自动化的关键部件,必然朝向更高算力、更高智能和更低功耗的方向发展,从而推动工控MCU的需求和性能不断升级。

 

长期关注工业控制的朋友大都了解,运动控制器是运动控制的大脑,分为PC-Based、专用控制器、PLC三类。其中核心的伺服系统是运动控制的中枢神经和动力系统,由伺服驱动器、电机、编码器组成,而这三大类都离不开高算力MCU的支持。

 

国内厂商意识到 EtherCAT 技术的重要性,逐步寻求获得 ESC 授权,以提高产品竞争力并参与更广泛的 生态系统。中国工业芯片厂商在获得ESC授权方面起步较晚,长期以来使用的都是德州仪器、瑞萨、英飞凌等国外品牌 MCU。即便有些国内芯片厂商宣称支持 EtherCAT,授权也非来自 倍福Beckhoff 官方正版,带来技术支持和软件更新隐患,影响国产工控设备进军海外市场的合规性。因此,中国需要拥有自主可控、正牌官方授权的 EtherCAT 从站控制器的工业级高性能 MCU。而这一点,被先楫半导体做到了。

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HPM6E00系列,来源:先楫半导体

 

 

HPM6E00系列震撼发布
 

近日,国产高端MCU代表厂商先楫半导体(HPMicro)推出的新款MCU——HPM6E00,面向工业自动化、新能源及汽车电子三大应用领域,已在编码器和伺服驱动器、微型逆变器、IMU、ECU和汽车座椅门控模块等应用中显示出优势。HPM6E00系列产品提供RISC-V 双核,主频达600 MHz,片上内存可达 2 MB。具备高性能运动控制、高实时工业以太网互联的特性、多达3端口的千兆以太网交换机,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,该系列提供-40—105℃ Ta选项,满足工业级和车规级环境需求。
 

 

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据了解,HPM6E00是中国定义、中国设计、中国制造、为中国服务的产品,填补了国内MCU市场的空白。值得重点关注的是,作为“国内首款内嵌ESC的高性能MCU”, 内置倍福授权的正版EtherCAT ESC IP,解决了IP风险问题,标志着我国工业MCU达到了国际先进水平。

 

为什么要选择EtherCAT?

ESC 是 EtherCAT 现场设备中的核心芯片组件,为开发者和用户提供统一接口,广泛应用于EtherCAT运动控制器中,实现对电机、伺服系统等运动设备的精确操控。ESC 芯片供应商需要授权,但最终用户、系统集成商等无需支付额外授权费用。

 

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) 是一种实时工业以太网技术,最初由德国的倍福公司(Beckhoff)开发。EtherCAT 具有快速、稳定、灵活及向下兼容的特点,自2003年推出以来,已成为IEC国际标准和SEMI标准,并在2014年成为中国国家推荐性标准。EtherCAT 技术协会(ETG)推广和研发这项技术。

 

据了解, EtherCAT 适用于机器人、机床、包装机械、印刷机、塑料制造机器、冲压机、半导体制造机器、试验台、测试系统、抓取机器、电厂、变电站、材料处理应用、行李运送系统、舞台控制系统、自动化装配系统、纸浆和造纸机、隧道控制系统、焊接机、起重机和升降机、农场机械、海岸应用、锯木厂、窗户生产设备、楼宇控制系统、钢铁厂、风机、家具生产设备、铣床、自动引导车、娱乐自动化、制药设备、木材加工机器、平板玻璃生产设备、称重系统等领域。特别是在运动控制领域,全球四大机器人厂商都采用了EtherCAT总线通讯。

 

EtherCAT 是最快的工业以太网技术,提供纳秒级精确同步。它能显著提高应用效率,减少处理步骤中的状态转换等待时间。相较于其他总线系统,EtherCAT 能减少 25%-30% 的 CPU 负载。在最佳情况下,EtherCAT 性能可以提高精度,获得更高的吞吐量,并降低成本。

 

时间要求苛刻的任务,降低设备成本。EtherCAT 不需交换机或其他有源基础组件,节省组件及其安装、配置和维护成本。

 

笔者根据公开资料,总结了一下EtherCAT 的技及优势:

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EtherCAT 的技术特点及优势,来源:与非研究院整理

 

EtherCAT 使配置、检测、维护变得简单:自动配置地址,无需手动配置。低总线负载和点对点的物理层改善抗电磁干扰能力。网络可准确定位潜在干扰,减少故障排除时间。EtherCAT 出色的性能降低网络调试需求,高带宽可将 TCP/IP 与控制数据同时传输。无需使用 MAC 或 IP 地址,不需 IT 专家配置交换机或路由器。

 

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EtherCAT的运行原理,来源:EGT
 

 

EtherCAT 应用中,机器结构决定网络拓扑,无需交换机或集线器,几乎无限数量的节点可组成线型、树型、星型拓扑及其组合。具备自动链接检测功能,节点和网段可在运行中断开及重新连接。线型拓扑可以拓展为环形拓扑,实现线缆冗余。主站设备仅需第二个以太网口,而从站设备已具备冗余功能,因此可在机器运转过程中进行设备交换。
 

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EtherCAT 的关键在于其节点对以太网数据帧的处理:每个节点读取并写入数据帧,使得每个周期通常用一个数据帧实现整个系统的数据刷新,网络无需使用交换机或集线器。这种方式提高了带宽利用率和实时性,保证了高效的数据传输和处理。随着工业4.0的推进,EtherCAT技术将在工业自动化和智能化领域扮演越来越重要的角色,成为新一代工业控制系统的标配。其高性能、灵活性和低成本优势将推动其在更多应用场景中的广泛应用。

 

 

Ethercat的市场现状?

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2020 年 Ethercat 通信协议控制器成为主流,来源:睿工业,平安证券研究所

 

近年来,中国政府正在大力推动工业升级和智能制造,对高性能通信协议需求越来越大。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,例如生产线上的电机协同工作需近乎实时且无缝对接。Ethercat 通信协议凭借其实时性、低时延逐渐取代其它的工业通信协议占据市场份额。先楫半导体创始人兼CEO曾劲涛对笔者表示,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。

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现场总线、 工业以太网和无线的市场份额(来源:HMS Networks,2024 年)

 

根据HMS Networks(2024年)的数据,工业网络市场正在快速扩展,预计2024年将增长7%。工业以太网在市场中占据主导地位,占所有新安装节点的71%(去年为68%)。现场总线的使用率从24%下降到22%,无线技术略微下降,从8%降到7%。在主要竞争者中,PROFINET以23%的新安装节点占据首位,其次是EtherNet/IP,占21%,而EtherCAT的占比为16%。

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近年来EtherCAT节点数量增长情况(来源:ETG)
 

 

2023年,EtherCAT技术协会(ETG)报告全球节点数量已达7700万个,仅2023年一年就新增了1800万个节点。这一增长基于实际销售的EtherCAT芯片数量,不包括总线模块中使用的芯片。ETG执行董事Martin Rostan指出,尽管半导体危机和整体经济环境的降温,EtherCAT的增长仍保持强劲。

 

EtherCAT技术由ETG管理和推广,提供技术支持并确保兼容性。EtherCAT主站的实施授权是免费的,但需要保证协议的兼容性。对于从站设备,授权费用已包含在EtherCAT ESC芯片的价格中。

 

 

EtherCAT阵营的玩家有哪些?

据了解,目前市面上的EtherCAT从站方案主要由欧美原厂推出,传统方案如倍福的ET1100芯片,需要主控+ESC+PHY的组合,成本较高,难以适应国内市场的竞争节奏。另一种是集成了PHY的ESC方案,如LAN925和AX58100,成本有所降低。第三种是瑞萨n2l、英飞凌等厂商的方案,将主控集成到ESC中,性能逐步提高。
 

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EtherCAT相关方案及产品类型(部分),来源:与非研究院整理

 

任何一个EtherCAT从站,无论是IO模块,还是伺服电机,都需要ESC来实现EtherCAT通信。ESC可分为以下几种:

 

 ASIC芯片形式的ESC:开发一个从站需要购买一个ESC,50个从站需要50个ESC。比如Beckhoff的ET1100、ET1200;Hilscher的netX500、netX51、netX52、netX100;ADI的TMC8462;HMS的Anybus NP40等。一般形式是一个微控制器配合一个ESC,再加上外接的PHY等器件。有些ESC如ET1100在没有微控制器作为主控的情况下也可作为一个简单的EtherCAT从站,但只能实现最基础的IO点功能。

 

 IP Core形式的ESC:此类ESC以IP Core的形式存在,开发任何数量的从站只需购买一次IP Core即可。如Beckhoff的ET1810/1811/1812(用于Altera FPGA)和ET1851/1816/1817(用于Xilinx FPGA)。这种方式使用FPGA实现ESC功能,提供高性能和灵活性。

 

 集成了PHY的ESC解决方案:如亚信电子的AX58100、AX58200和AX58400;Microchip的LAN9252、LAN9253和LAN9254。这些方案集成了PHY,降低了成本。

 

 主控集成了ESC:如英飞凌的XMC4300、XMC4800;瑞萨电子的RZ/N2L、RZ/T2M、RX72M等。性能更高。

 

EtherCAT从站设备使用价格低廉的从站控制器芯片(ESC)。ESC可以是ASIC、FPGA,或集成有该协议标准的微控制器。对于简单的EtherCAT从站设备,甚至无需额外的微控制器,其输入输出可直接与ESC连接。对于较复杂的从站设备,微控制器性能会略微影响其通信性能,多数情况下,一个8位的微控制器就足够了。授权需要从EtherCAT的专利方Beckhoff获得。目前,EtherCAT的从站控制器可以从亚信电子、先楫半导体、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飞凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州仪器、ADI(收购了Trinamics)、瑞萨电子、Intel及AMD(收购了Xilinx)获取。

 

尽管EtherCAT广受欢迎,但获得倍福公司IP授权的MCU产品数量有限。目前,获得倍福授权的MCU产品主要来自欧美厂商,如英飞凌、Microchip、TI和瑞萨电子。近年来,国内EtherCAT芯片技术取得显著进展,市场上出现了新的国产解决方案,进一步推动了EtherCAT在中国的采用。

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国产EtherCAT芯片,来源:与非研究院整理

 

近几年,国内EtherCAT芯片技术快速发展,国产ESC芯片逐渐出现。除了先楫半导体推出的HPM6E00之外,还有例如亚信电子的AX58100、AX58200和AX58400,中科微的CT1130系列。这些方案降低了成本,提高了性能,增强了市场竞争力。总的来看,无论是ASIC芯片、IP Core形式的ESC,还是集成了PHY或主控的ESC解决方案,EtherCAT技术在工业自动化领域的应用将不断扩大和深化。

 

总结:国产MCU如何在高端市场进行突破?

过去几年,国产MCU得益于芯片缺货,顺利的在8位、32位通用MCU市场扩展了市场份额。但随着芯片缺货结束,潮水褪去,通用MCU市场重新陷入价格战的内卷。而在竞争不那么激烈的高端市场,依然被国外龙头厂商主导。相关报道,可关注《产研:极度内卷,2024年国产MCU往何处去》

 

这其中,工业自动化、新能源和汽车电子是MCU行业的代表性高端应用场景,对MCU的计算能力、控制能力和通讯能力提出了非常高的要求。而这个市场也是国产MCU需要攻克的最后的堡垒。

 

笔者认为,凭借工业、汽车领域的多年市场和技术积累,国外厂商建立了深厚的护城河,这部分高端MCU要进行替代非常困难,但正因为其困难,才显得有价值,才有机会摆脱无效的低端内卷。作为近几年来在高端MCU领域崭露头角的国产MCU厂商,先楫半导体一直致力于高性能MCU的研发,其之前推出的HPM5300就针对高性能运动控制进行了优化。据笔者了解,倍福对于EtherCAT的授权非常谨慎,目前挑选的授权合作伙伴并不多,需要在不同的细分领域具有独特的特点或优势的厂商才会进行授权。

 

此次先楫的HPM6E00系列获得EtherCAT授权,与国外MCU先进厂商站在了同一起跑线上,也标志着国产MCU在高端市场迈出了赶超国外同类竞品的重要一步。随着工业设备对数据传输速度的需求不断增加,EtherCAT将进一步提升通信速度,以适应更高带宽的应用,并增强与其他通信协议和设备的兼容性,提供灵活的解决方案。在未来的工业自动化、机器人等高需求应用场景下,相信将会有越来越多的MCU厂商加入到EtherCAT的阵营之中。

 

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