首颗获得EtherCAT官方授权的国产RISC-V MCU发布！适用于伺服控制和机械臂场景

发布时间：2024-07-3 阅读量：7504 来源: 我爱方案网作者: bebop

EtherCAT（用于控制自动化技术的以太网）是由德国倍福公司（Beckhoff）开发， EtherCAT技术协会监管，用于工业自动化应用设备、传感器和可编程逻辑控制器 (PLC)）的实时工业以太网标准，适用于自动化工厂网络中的所有设备：如自动化控制器、操作员界面、远程输入/输出单元、传感器、传动器、伺服驱动器等。

一般来说，一个EtherCAT网络，由一个主站（Master）与多个从站（Slave）所组成，就如同下面的架构图所示，一个网络中只能有一个主站，由这个主站负责跟所有的从站沟通，不同于传统的通信协议，比如Modbus/TCP是属于一问一答的方式，会造成网络数据包的增加，数据延迟也较长，这就像是传统的小吃摊面店一样，老板跑进跑出又要煮菜又要端菜，效率很低。

图：EtherCAT网络架构图（来源：研华科技）

EtherCAT是一个环状的网络，类似回转寿司的概念。EtherCAT主站发送一个报文，报文经过所有节点。EtherCAT从站设备高速动态地（on the fly）读取寻址到该节点的数据，并在数据帧继续传输的同时插入数据。这样数据帧的传输延时只取决于硬件传输延时。当某一网段，或者分支上的最后一个节点检测到开放端口（无下一个从站）时，利用以太网技术的全双工特性，将报文返回给主站。EtherCAT 报文的最大有效数据利用率达 90% 以上，而由于采用全双工特性，有效数据利用率理论上高于 100 MBit/s。

图：EtherCAT的运行原理（来源：EGT）

当前市面上EtherCAT从站方案多是由欧美原厂推出，传统的是倍福ET1100这类芯片，这类方案需要主控+ESC+PHY，成本比较高，可以说已经无法适应国内通用产品的竞争节奏。第二种就是集成了PHY的ESC方案，如LAN925、AX58100这类，这类集成了phy,成本相对降低。第三种就是瑞萨n2l、英飞凌这类方案，主控集成了ESC，性能优势稳步提高。

这几年国内EtherCAT芯片技术也是发展迅速。近日，先楫半导体发布中国首款拥有德国倍福公司（Beckhoff）正式授权 EterhCAT 从站控制器 (ESC: EtherCAT Slave Controller) 的高性能MCU产品HPM6E00系列，将国产高性能MCU在工业领域的应用推向新高度。

先楫半导体HPM6E00系列产品实现了高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的完美结合，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。

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HPM6E00产品性能

CPU性能：

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。

HPM6E00开发板

HPM6E00开发板现已全面开售，在先楫半导体官网可购买，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。

应用案例

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

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