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以太網通信協議，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、拓撲靈活的工業以太網技術，近年來廣泛應用于工業自動化領域，已經成為全球市場上最通用和增長最快的工業實時以太網協議，在中國和全球擁有大量的用戶。

現場總線、工業以太網和無線的市場份額

（來源：HMS Networks，2024 年）

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

值得注意的是，工業以太網仍然占據主導地位，占所有新安裝節點的71%（去年為68%）。與此同時，現場總線從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節點數量增長情況（來源：ETG）

2023年，在EtherCAT誕生20周年之際，現場總線組織EtherCAT技術協會（ETG）首次公開了全球節點數。據統計，全球EtherCAT節點數已高達7700萬個，僅在2023年便新增了1800萬個。這些數據均基于實際售出的EtherCAT芯片數量得出，但不包括總線模塊使用的芯片。一個模塊化I/O站被統計為1個節點，即使它由多個EtherCAT總線模塊組成。

EtherCAT技術協會執行董事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年市場整體經濟環境有所降溫，EtherCAT的增長步伐卻依舊未停。”

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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)，它基于傳統的以太網協議進行修改，因此兼容性很強，可以與其他以太網協議并存于統一總線，數據傳輸速度可以達到100Mbit/s，是目前已知最快的工業以太網技術。

EtherCAT最大限度利用以太網帶寬進行數據傳輸，有效數據利用率可達90%以上。數據幀處理的實時性很高，數據刷新周期小于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，能保證各個從站節點設備的同步精度小于1us。

標準以太網框架中的EtherCAT（符合IEEE802.3）

EtherCAT結構簡單，而無需交換機或集線器，在網絡拓撲方面沒有限制，支持多種網絡拓撲結構，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是一個環狀的網絡，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、帶有以太網控制器的嵌入式設備。主站可以用軟件，在標準的以太網媒體接入控制器中實現，是網段內唯一能夠主動發送 EtherCAT 數據幀的節點，其他節點僅傳送數據幀。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，任何復雜功能的節點設備或簡單的I/O節點都可以用作EtherCAT從站，不僅使網絡性能可預測，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），才能實現飛速傳輸（processing on the fly）的技術。

ESC中的“onthefly”（高速動態數據處理）

（來源：ETG）

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為什么需要一款國產EtherCAT工業芯片？

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

ETG方面的規則是，對于EtherCAT主站實施的授權是免費的，但協議要求兼容性，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“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，系統集成商，工具生產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，也令國產工控設備在進軍海外市場時面臨合規挑戰。

近年來，中國政府大力推動工業升級和智能制造，這個全球最大的工業自動化市場對高性能通信協議的需求越來越大。在工業自動化場景下，通訊協議需要具備實時性和高容錯率的特點，例如在生產線上的電機協同工作中，不同節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生態系統中，包括與國內外設備制造商、系統集成商的合作。

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，該產品成功流片并陸續提供樣品給客戶。

對此，Martin Rostan先生曾高度贊揚EtherCAT技術在中國市場的發展，他說，“中國市場是近年來全球EtherCAT技術發展速度最快的一個市場，在中國的用戶數量已經趕超歐美用戶。我很高興看到中國的企業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品的公司。我們期待看到先楫與各企業一起合作，進一步推動中國EtherCAT技術及產品應用的市場繁榮。”

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

據介紹，該系列產品具備高性能運動控制、高實時工業以太網互聯的特性、提供RISC-V 雙核，多達3端口千兆以太路由模塊，支持多種工業以太網協議和時間敏感網絡(TSN: Time-Sensitive Networking)，支持32 路高分辨率 PWM 輸出、16位ADC、Σ?數字濾波，帶有專業的編碼器管理模塊、靈活的外部總線和敏捷的硬件電流環功能，在高精度運動控制系統中具備得天獨厚的優勢。

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

先楫半導體HPM6E00系列產品致力于將硬件和控制環路小型化，實現了高性能MCU與高實時性、低延時工業以太網的高度集成，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、數據傳輸系統和監控系統等多樣化應用中。

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業界大佬怎么看？

對于這款產品的推出，業界可謂期盼已久，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、為中國服務的產品。這款產品填補了國內MCU市場的空白，也標志著我國工業MCU已經在達到了國際先進水平。”

——先楫半導體創始人兼CEO，曾勁濤

中國產業升級、企業出海，在這樣的市場發展需求中，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實時以太網協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、方案共創和技術創新等合作。”

——先楫半導體執行副總裁市場銷售，陳丹（DannyChen）

“EtherCATTechnologyGrouphasmorethan7700membercompaniesfrom75countries.We'realsothefastestgrowingorganizationintheworldwithmorethan500newmembersinthelast12months.”

——EtherCAT技術協會（ETG）全球執行董事和主席，MartinRostan

“這是一款市場上呼喚已久的產品，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。”

——廣州致遠電子股份有限公司董事長兼總經理，周立功

“三旺通信在工業領域已深耕20余年，我們深刻感知這款產品的發布在工業互聯網時代的意義。”

——深圳市三旺通信股份有限公司聯合創始人，吳健

“我們之前就有跟先楫合作，先楫的產品性能及穩定性非常不錯。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產品剛好滿足需求，幫助我們快速的推出產品。祝賀先楫產品成功上市，給工業市場創造更好的選擇。”

——深圳顯控科技股份有限公司董事長，宋斌

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HPM6E00產品性能詳解

主頻 600 MHz，RISC-V 雙核，片上內存可達 2 MB。

實時以太網系統：

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

? EtherCAT 從站控制器，支持多達 3 個端口。

增強運動控制系統：

? 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控制單元。

?可編程邏輯單元 PLB。

電源系統：

?集成高效率 DCDC 轉換器和 LDO, 支持系統單電源供電，可動態調節輸出電壓實現性能-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?數字濾波 SDM，包含 SINC 數字濾波器，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伺服參數的快速導出導入及曲線波形監視。M9系列伺服以完全國產自主的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EtherCAT總線伺服系統的應用。

方案優勢：

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平衡，節省電能。

體積小,功率密度高，4軸節省25%空間，6軸節省35%空間。

內置MOS控制抱閘通斷，抱閘接線更簡單。

優化硬件設計，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，穩定性更好，成本更優。

電流環刷新頻率64KHZ，速度環帶寬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，核心搭載了國產自主研發的先楫HPM6E80 RISC-V雙核處理器，性能強勁，能夠無縫支持伺服系統控制、遠程IO管理及工業以太網網關等多種應用場景，展現了卓越的兼容性和靈活性。該產品設計精巧，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通道數字輸入，以滿足多樣化控制需求。為進一步適應復雜的工業現場，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接口，為上位機通訊提供了高速通道，強化了系統的數據交互能力。

專為嚴苛工業環境設計，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級元器件，確保了主板的可靠性和耐用性，是現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，具備參數自整定、伺服單參數調整、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。可以適配多種編碼器協議，例如NRZ協議，BISS-c協議，QMA（莫森自有）協議等，支持17/23/25/26位分辨率編碼器。基于其優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。

方案特點：

速度控制范圍：1：5000 r/min

速度環響應頻率：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開發板

目前，HPM6E00開發板已在先楫半導體官網正式開售，售價￥498。

HPM6E00EVK提供雙百兆網口，實現ESC功能，RGMII千兆網口，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，方便用戶實現各類總線接口，并默認提供FEMC/PPI子板，可以實現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現已提供完整的樣片、開發板和軟件開發包支持。在硬件配套方面，HPM6E00的開發板購買鏈接已在先楫半導體官網上線。6月27日起陸續發貨，適配HPM6E00EVK的hpm_sdk v1.6.0將于6月30日上線。

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

先楫半導體已量產的高性能工業、車規MCU產品表

關于ETG

EtherCAT技術協會確保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設備研發者進行測試，以保證設備的互操作性。每個制造商在產品發布前應使用官方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還提供產品指南、聯合展臺和研討會展示，幫助會員推廣其EtherCAT產品。

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，產品覆蓋微控制器、微處理器和周邊芯片，以及配套的開發工具和生態系統。公司成立于2020年6月，總部坐落于上海市浦東軟件園區，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的豐富的研發及管理經驗。先楫半導體以產品質量為本，所有產品均通過嚴格的可靠性測試。目前已經量產的高性能通用MCU產品包含HPM6700/6400、HPM6300、HPM6200、HPM5300及HPM6800系列，性能領先國際同類產品并通過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、汽車和能源市場。