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HPM6E00系列，来源：先楫半导体
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。
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。该系列提供-40—105℃ Ta选项，满足工业级和车规级环境需求。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：
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。
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。
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？
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。
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%。
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。
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。
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。
HPM6E00为何能成为工业“芯”标杆？
先楫半导体执行副总裁兼市场销售负责人陈丹对笔者表示，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用户。中国正处在产业升级和企业出海的市场发展需求中，先楫推出的这款市场期待已久的HPM6E00系列产品，集成了高性能和EtherCAT技术，将为合作伙伴提供更多的资源共享、方案共创和技术创新合作。
据介绍，HPM6E00系列产品在高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的结合上实现了突破，具备高性能运动控制和高实时工业以太网互联特性，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、ΣΔ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显著优势。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。
为了进一步支持开发者，先楫半导体为HPM6E00系列提供了开发板HPM6E00EVK。该开发板具备双百兆网口，实现ESC功能，RGMII千兆网口、CAN接口、音频接口、sigma-delta转换接口、HS USB接口及标准的电机接口等，可以适配先楫的电机驱动板。同时，HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽，使用户能够实现各类总线接口，并默认提供FEMC/PPI子板，能够实现SDRAM和并口的ADC采样功能。此外，开发板还提供树莓派接口和板载调试接口，方便用户进行调试，并提供标准的JTAG接口供用户选择。这一系列配置极大地方便了开发者的使用，提升了开发效率。
先楫半导体HPM6E00系列产品的上市，标志着高性能MCU与高实时性工业以太网技术的完美结合，能够赋能行业客户在工业自动化领域大展拳脚，应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领域。
HPM6E00系列，来源：先楫半导体
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：
千兆以太网路由器，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。
2 个 8 通道 I2S 和数字麦克风。
HPM6E00片内资源及性能，来源：先楫半导体
除了HPM6E00系列，先楫半导体还推出了高性能RISC-V内核通用微控制器HPM5300系列。该系列支持双精度浮点运算及强大的DSP扩展，主频480MHz，达到甚至超越国际主流高性能MCU产品。HPM5300系列是先楫半导体第一款全系列内置1MB Flash的产品，同时内置288KB SRAM，避免了低速外部存储器引发的性能损失。模拟部分集成16位ADC、12位DAC及运放，增强系统精度，配置两个八通道的PWM模块，并引入PLB可编程逻辑单元，实现丰富、多逻辑的保护，提高了产品的稳定性。
先楫半导体HPM产品系列，来源：先楫半导体
HPM5300系列具备卓越的通讯能力，提供多种可灵活配置的接口，包括4路CAN-FD、4路LIN、多路UART/SPI/I2C及USB OTG内置HS PHY，能够轻松实现各种接口类应用。为了提高运控准确性，HPM5300系列支持各类位置传感器，包括光电式、磁感应和旋转变压器，提供灵活的编码器输入输出，兼容总线型、模拟类和脉冲型，支持增量和绝对编码器各种输入输出信号形式。该系列产品还支持主流的编码器通讯协议，如多摩川、BISS-C、ENDAT、HIPERFACE等。
HPM5300系列在灵活全面的位置反馈支持下，进一步提升了运控能力。专门配置的运动处理单元提供位置预测和运动轨迹规划功能，为主处理器分担更多工作量，提升效能。HPM5300系列提供100 LQFP、64 LQFP、48 QFN等封装，更小的封装可缩小板级PCB尺寸，创造更多可能性。HPM5300系列的强大功能和灵活配置，也为开发者提供了更多的选择和可能性。
生态伙伴如何看待HPM6E00上市？
先楫半导体的各大生态合作伙伴代表也纷纷发声，为HPM6E00系列的推出站台。
“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）
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
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。
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
HPM6E00 开发板
HPM6E00 开发板现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。
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
（https://hpmicro.com）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。
此外，先楫半导体将会在上海、深圳等地举办 HPM6E00 相关的线下技术交流研讨会，敬请关注先楫半导体（HPMicro）官方微信，获取更多的产品信息及企业动态。
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。
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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