編者薦語：此次先楫的HPM6E00系列獲得EtherCAT授權，與國外MCU先進廠商站在了同一起跑線上，也標志著國產MCU在高端市場邁出了趕超國外同類競品的重要一步。

作者專欄

工業控制是全球MCU的第二大應用領域。這些MCU在PLC控制器、電機、儀表和工業機器人中起關鍵作用。Statista預計全球工業控制和自動化市場將從2022年的2343億美元增長到2026年的3396億美元，年均增長率為9.7%。隨著我國制造業智能化水平的不斷升級，數控機床、精密機械、鋰電設備、新能源汽車、機器人等高科技含量的新興產業逐漸嶄露頭角，MCU作為工業自動化的關鍵部件，必然朝向更高算力、更高智能和更低功耗的方向發展，從而推動工控MCU的需求和性能不斷升級。

長期關注工業控制的朋友大都了解，運動控制器是運動控制的大腦，分為PC-Based、專用控制器、PLC三類。其中核心的伺服系統是運動控制的中樞神經和動力系統，由伺服驅動器、電機、編碼器組成，而這三大類都離不開高算力MCU的支持。

國內廠商意識到 EtherCAT 技術的重要性，逐步尋求獲得 ESC 授權，以提高產品競爭力并參與更廣泛的 生態系統。中國工業芯片廠商在獲得ESC授權方面起步較晚，長期以來使用的都是德州儀器、瑞薩、英飛凌等國外品牌 MCU。即便有些國內芯片廠商宣稱支持 EtherCAT，授權也非來自 倍福Beckhoff 官方正版，帶來技術支持和軟件更新隱患，影響國產工控設備進軍海外市場的合規性。因此，中國需要擁有自主可控、正牌官方授權的 EtherCAT 從站控制器的工業級高性能 MCU。而這一點，被先楫半導體做到了。

HPM6E00系列，來源：先楫半導體

HPM6E00系列震撼發布

近日，國產高端MCU代表廠商先楫半導體（HPMicro）推出的新款MCU——HPM6E00，面向工業自動化、新能源及汽車電子三大應用領域，已在編碼器和伺服驅動器、微型逆變器、IMU、ECU和汽車座椅門控模塊等應用中顯示出優勢。HPM6E00系列產品提供RISC-V 雙核，主頻達600 MHz，片上內存可達 2 MB。具備高性能運動控制、高實時工業以太網互聯的特性、多達3端口的千兆以太網交換機，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，該系列提供-40—105℃ Ta選項，滿足工業級和車規級環境需求。

據了解，HPM6E00是中國定義、中國設計、中國制造、為中國服務的產品，填補了國內MCU市場的空白。值得重點關注的是，作為“國內首款內嵌ESC的高性能MCU”， 內置倍福授權的正版EtherCAT ESC IP，解決了IP風險問題，標志著我國工業MCU達到了國際先進水平。

為什么要選擇EtherCAT？

ESC 是 EtherCAT 現場設備中的核心芯片組件，為開發者和用戶提供統一接口，廣泛應用于EtherCAT運動控制器中，實現對電機、伺服系統等運動設備的精確操控。ESC 芯片供應商需要授權，但最終用戶、系統集成商等無需支付額外授權費用。

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) 是一種實時工業以太網技術，最初由德國的倍福公司（Beckhoff）開發。EtherCAT 具有快速、穩定、靈活及向下兼容的特點，自2003年推出以來，已成為IEC國際標準和SEMI標準，并在2014年成為中國國家推薦性標準。EtherCAT 技術協會（ETG）推廣和研發這項技術。

據了解， EtherCAT 適用于機器人、機床、包裝機械、印刷機、塑料制造機器、沖壓機、半導體制造機器、試驗臺、測試系統、抓取機器、電廠、變電站、材料處理應用、行李運送系統、舞臺控制系統、自動化裝配系統、紙漿和造紙機、隧道控制系統、焊接機、起重機和升降機、農場機械、海岸應用、鋸木廠、窗戶生產設備、樓宇控制系統、鋼鐵廠、風機、家具生產設備、銑床、自動引導車、娛樂自動化、制藥設備、木材加工機器、平板玻璃生產設備、稱重系統等領域。特別是在運動控制領域，全球四大機器人廠商都采用了EtherCAT總線通訊。

EtherCAT 是最快的工業以太網技術，提供納秒級精確同步。它能顯著提高應用效率，減少處理步驟中的狀態轉換等待時間。相較于其他總線系統，EtherCAT 能減少 25%-30% 的 CPU 負載。在最佳情況下，EtherCAT 性能可以提高精度，獲得更高的吞吐量，并降低成本。

時間要求苛刻的任務，降低設備成本。EtherCAT 不需交換機或其他有源基礎組件，節省組件及其安裝、配置和維護成本。

筆者根據公開資料，總結了一下EtherCAT 的技及優勢：

EtherCAT 的技術特點及優勢，來源：與非研究院整理

EtherCAT 使配置、檢測、維護變得簡單：自動配置地址，無需手動配置。低總線負載和點對點的物理層改善抗電磁干擾能力。網絡可準確定位潛在干擾，減少故障排除時間。EtherCAT 出色的性能降低網絡調試需求，高帶寬可將 TCP/IP 與控制數據同時傳輸。無需使用 MAC 或 IP 地址，不需 IT 專家配置交換機或路由器。

EtherCAT的運行原理，來源：EGT

EtherCAT 應用中，機器結構決定網絡拓撲，無需交換機或集線器，幾乎無限數量的節點可組成線型、樹型、星型拓撲及其組合。具備自動鏈接檢測功能，節點和網段可在運行中斷開及重新連接。線型拓撲可以拓展為環形拓撲，實現線纜冗余。主站設備僅需第二個以太網口，而從站設備已具備冗余功能，因此可在機器運轉過程中進行設備交換。

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EtherCAT 的關鍵在于其節點對以太網數據幀的處理：每個節點讀取并寫入數據幀，使得每個周期通常用一個數據幀實現整個系統的數據刷新，網絡無需使用交換機或集線器。這種方式提高了帶寬利用率和實時性，保證了高效的數據傳輸和處理。隨著工業4.0的推進，EtherCAT技術將在工業自動化和智能化領域扮演越來越重要的角色，成為新一代工業控制系統的標配。其高性能、靈活性和低成本優勢將推動其在更多應用場景中的廣泛應用。

Ethercat的市場現狀？

2020 年 Ethercat 通信協議控制器成為主流，來源：睿工業,平安證券研究所

近年來，中國政府正在大力推動工業升級和智能制造，對高性能通信協議需求越來越大。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，例如生產線上的電機協同工作需近乎實時且無縫對接。Ethercat 通信協議憑借其實時性、低時延逐漸取代其它的工業通信協議占據市場份額。先楫半導體創始人兼CEO曾勁濤對筆者表示，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。

現場總線、 工業以太網和無線的市場份額（來源：HMS Networks，2024 年）

根據HMS Networks（2024年）的數據，工業網絡市場正在快速擴展，預計2024年將增長7%。工業以太網在市場中占據主導地位，占所有新安裝節點的71%（去年為68%）。現場總線的使用率從24%下降到22%，無線技術略微下降，從8%降到7%。在主要競爭者中，PROFINET以23%的新安裝節點占據首位，其次是EtherNet/IP，占21%，而EtherCAT的占比為16%。

近年來EtherCAT節點數量增長情況（來源：ETG）

2023年，EtherCAT技術協會（ETG）報告全球節點數量已達7700萬個，僅2023年一年就新增了1800萬個節點。這一增長基于實際銷售的EtherCAT芯片數量，不包括總線模塊中使用的芯片。ETG執行董事Martin Rostan指出，盡管半導體危機和整體經濟環境的降溫，EtherCAT的增長仍保持強勁。

EtherCAT技術由ETG管理和推廣，提供技術支持并確保兼容性。EtherCAT主站的實施授權是免費的，但需要保證協議的兼容性。對于從站設備，授權費用已包含在EtherCAT ESC芯片的價格中。

EtherCAT陣營的玩家有哪些？

據了解，目前市面上的EtherCAT從站方案主要由歐美原廠推出，傳統方案如倍福的ET1100芯片，需要主控+ESC+PHY的組合，成本較高，難以適應國內市場的競爭節奏。另一種是集成了PHY的ESC方案，如LAN925和AX58100，成本有所降低。第三種是瑞薩n2l、英飛凌等廠商的方案，將主控集成到ESC中，性能逐步提高。

EtherCAT相關方案及產品類型（部分），來源：與非研究院整理

任何一個EtherCAT從站，無論是IO模塊，還是伺服電機，都需要ESC來實現EtherCAT通信。ESC可分為以下幾種：

ASIC芯片形式的ESC：開發一個從站需要購買一個ESC，50個從站需要50個ESC。比如Beckhoff的ET1100、ET1200；Hilscher的netX500、netX51、netX52、netX100；ADI的TMC8462；HMS的Anybus NP40等。一般形式是一個微控制器配合一個ESC，再加上外接的PHY等器件。有些ESC如ET1100在沒有微控制器作為主控的情況下也可作為一個簡單的EtherCAT從站，但只能實現最基礎的IO點功能。

IP Core形式的ESC：此類ESC以IP Core的形式存在，開發任何數量的從站只需購買一次IP Core即可。如Beckhoff的ET1810/1811/1812（用于Altera FPGA）和ET1851/1816/1817（用于Xilinx FPGA）。這種方式使用FPGA實現ESC功能，提供高性能和靈活性。

集成了PHY的ESC解決方案：如亞信電子的AX58100、AX58200和AX58400；Microchip的LAN9252、LAN9253和LAN9254。這些方案集成了PHY，降低了成本。

主控集成了ESC：如英飛凌的XMC4300、XMC4800；瑞薩電子的RZ/N2L、RZ/T2M、RX72M等。性能更高。

EtherCAT從站設備使用價格低廉的從站控制器芯片（ESC）。ESC可以是ASIC、FPGA，或集成有該協議標準的微控制器。對于簡單的EtherCAT從站設備，甚至無需額外的微控制器，其輸入輸出可直接與ESC連接。對于較復雜的從站設備，微控制器性能會略微影響其通信性能，多數情況下，一個8位的微控制器就足夠了。授權需要從EtherCAT的專利方Beckhoff獲得。目前，EtherCAT的從站控制器可以從亞信電子、先楫半導體、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飛凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州儀器、ADI（收購了Trinamics）、瑞薩電子、Intel及AMD（收購了Xilinx）獲取。

盡管EtherCAT廣受歡迎，但獲得倍福公司IP授權的MCU產品數量有限。目前，獲得倍福授權的MCU產品主要來自歐美廠商，如英飛凌、Microchip、TI和瑞薩電子。近年來，國內EtherCAT芯片技術取得顯著進展，市場上出現了新的國產解決方案，進一步推動了EtherCAT在中國的采用。

國產EtherCAT芯片，來源：與非研究院整理

近幾年，國內EtherCAT芯片技術快速發展，國產ESC芯片逐漸出現。除了先楫半導體推出的HPM6E00之外，還有例如亞信電子的AX58100、AX58200和AX58400，中科微的CT1130系列。這些方案降低了成本，提高了性能，增強了市場競爭力。總的來看，無論是ASIC芯片、IP Core形式的ESC，還是集成了PHY或主控的ESC解決方案，EtherCAT技術在工業自動化領域的應用將不斷擴大和深化。

總結：國產MCU如何在高端市場進行突破？

過去幾年，國產MCU得益于芯片缺貨，順利的在8位、32位通用MCU市場擴展了市場份額。但隨著芯片缺貨結束，潮水褪去，通用MCU市場重新陷入價格戰的內卷。而在競爭不那么激烈的高端市場，依然被國外龍頭廠商主導。相關報道，可關注《產研：極度內卷，2024年國產MCU往何處去》。

這其中，工業自動化、新能源和汽車電子是MCU行業的代表性高端應用場景，對MCU的計算能力、控制能力和通訊能力提出了非常高的要求。而這個市場也是國產MCU需要攻克的最后的堡壘。

筆者認為，憑借工業、汽車領域的多年市場和技術積累，國外廠商建立了深厚的護城河，這部分高端MCU要進行替代非常困難，但正因為其困難，才顯得有價值，才有機會擺脫無效的低端內卷。作為近幾年來在高端MCU領域嶄露頭角的國產MCU廠商，先楫半導體一直致力于高性能MCU的研發，其之前推出的HPM5300就針對高性能運動控制進行了優化。據筆者了解，倍福對于EtherCAT的授權非常謹慎，目前挑選的授權合作伙伴并不多，需要在不同的細分領域具有獨特的特點或優勢的廠商才會進行授權。

此次先楫的HPM6E00系列獲得EtherCAT授權，與國外MCU先進廠商站在了同一起跑線上，也標志著國產MCU在高端市場邁出了趕超國外同類競品的重要一步。隨著工業設備對數據傳輸速度的需求不斷增加，EtherCAT將進一步提升通信速度，以適應更高帶寬的應用，并增強與其他通信協議和設備的兼容性，提供靈活的解決方案。在未來的工業自動化、機器人等高需求應用場景下，相信將會有越來越多的MCU廠商加入到EtherCAT的陣營之中。