支持工业以太网（EtherCAT）协议的国产高性能MCU应用案例

导言：EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的工业实时以太网协议，实现了数据传输中速率更快、实时性更高、更可靠、传输数据量更大、抗干扰能力更强等特点，这恰是市场对于工业类MCU所要求的性能指标。

为了更好地实现工业通讯互联，德国倍福（Beckhoff）公司开发了一种新的实时工业以太网技术——EtherCAT，它基于标准的以太网技术，采用灵活的网络拓扑结构，具有配置简单、有效数据率高、"全双工"易于实现等特性，将该网络引入伺服控制系统，在控制器和多轴伺服驱动器之间通过帧进行数据通信，大大提高了控制器和驱动器之间的数据传输速度及可靠性，同时也提供了精确的多轴同步功能。

市面上已经有超过2，600家公司认可了EtherCAT (以太网)控制自动化技术， 不少国际MCU大厂相继推出集成EtherCAT协议的MCU产品。

例如，瑞萨推出集成2通道的EtherCAT从站控制器的RX系列MCU，英飞凌推出了集成EtherCAT 协议的 XMC4800系列 MCU，德州仪器（TI）则是将EtherCAT功能集成到Sitara AM335xMCU中，这些MCU都能为工业系统中的交流伺服驱动器、变频器、工业机器人、协作机器人等场景提供所需的高速和精确实时处理性能。

国内IC原厂也在积极推出EtherCAT从站控制器芯片。其中，先楫重磅推出中国首款拥有德国倍福公司（Beckhoff）正式授权EtherCAT从站控制器(ESC, EtherCAT Slave Controller) 的高性能MCU产品 HPM6E00系列。

性能方面，先楫半导体HPM6E00系列产品采用国际流行的RISC-V架构，主频高达600MHz，有单双核选项，集成了德国倍福公司授权的EtherCAT从站控制器(ESC, EtherCAT Slave Controller)，同时支持千兆工业以太网互联，TSN（Time-Sensitive Networking），可以满足总线型工业自动化设备的各种通讯需求。HPM6E00系列同时配备精确位置电动控制系统，硬件坐标轴变换和环路计算模块，以及32路100ps高分辨率PWM输出，满足最高性能的电机控制要求。

EtherCAT工作原理

EtherCAT采用了主从介质访问方式,主站控制所有从站发送或接收数据。在一个通信周期中，主站发送数据帧，从站在数据顿经过时读取相关报文中的输出数据。同时,从站的输入数据插入到同一数据帧的相关报文中。当该数据帧经过所有从站并完成数据交换后,由 EtherCAT 系统的末端从站将数据返回。

在其他工业以太网实现中，执行帧检查、执行CRC检查和遍历协议栈可能需要数百微秒。EtherCAT的设计仅需125 µs即可完成整个过程。更快的速度带来了更强的系统响应能力，而这又有助于提高整个控制应用的效率和安全性。EtherCAT器件节点也比其他工业以太网实现简单得多。

EtherCAT应用案例

EtherCAT技术主要应用于伺服控制系统中，通过在控制器和多轴伺服驱动器之间通过帧进行数据通信，有效提高了控制器和驱动器之间的数据传输速度及可靠性，这样的应用可以大大提高生产效率，降低成本，并推动工业自动化向更高水平的智能化方向发展。

应用场景方面，EtherCAT技术可以满足工业自动化设备对实时性的要求。在工业自动化领域，传统的脉冲模式控制存在着很大程度上对机器人性能的制约，高速工业现场总线成为机器人主力发展方向，其更加可靠、高效的总线解决方案，且易于与现场其它设备组网，为实现自动化流水线及建立智能工厂提供了基础。

EtherCAT总线在工业机器人的应用，利用了以太网协议完成工业自动化的控制，满足了工业控制工程中的通信稳定、大数据量，低延时性等优势。

在物流行业，EtherCAT技术通过与机器人系统相连接，实现对货物的自动存储、搬运和分拣等服务，提高物流作业效率及减少人工错误的概率。

在仓储管理系统中，EtherCAT技术通过与扫码枪、传感器、RFID等设备相连接，实现对物品的自动识别、定位、分拣等功能。在智能物流车辆中，通过与车载传感器相连接，实现对车辆状态、路况等信息的实时监测和处理，提高车辆行驶安全性和效率。