媒体视角 | 产研：发力工控市场，为何各大MCU巨头纷纷支持 EtherCAT？
作者专栏
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。
HPM6E00系列，来源：先楫半导体
HPM6E00系列震撼发布
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。HPM6E00系列产品提供RISC-V 双核，主频达600 MHz，片上内存可达 2 MB。具备高性能运动控制、高实时工业以太网互联的特性、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，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。
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。相关报道，可关注《产研：极度内卷，2024年国产MCU往何处去》。
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。
