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在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域不斷追求高效、智能和互聯(lián)的背景下，兆易創(chuàng)新憑借其一系列先進(jìn)芯片解決方案樹立了新的行業(yè)標(biāo)桿。為了加速EtherCAT®技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，兆易創(chuàng)新推出的兩款芯片——GDSCN832系列EtherCAT®從站控制器產(chǎn)品以及GD32H75E系列超高性能工業(yè)互聯(lián)MCU產(chǎn)品，集成了先進(jìn)的控制算法與硬件技術(shù)，顯著提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性與成本效益，尤其適用于對(duì)高精度同步和多軸協(xié)調(diào)要求嚴(yán)苛的機(jī)器人領(lǐng)域。借助其高帶寬、低延遲的通信特性，可廣泛服務(wù)于工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人及自動(dòng)化產(chǎn)線中的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，為機(jī)器人智能化與柔性制造提供強(qiáng)有力的底層支撐。

依托這些產(chǎn)品，兆易創(chuàng)新將進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)的深度融合，為開發(fā)者帶來更豐富、高效的解決方案，驅(qū)動(dòng)工業(yè)控制系統(tǒng)的創(chuàng)新與升級(jí)。

EtherCAT®技術(shù)需要怎樣的MCU來適配

誕生于2003年的EtherCAT®（Ethernet for Control Automation Technology）是一種專為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的高性能以太網(wǎng)通信協(xié)議。它通過提供高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，滿足了伺服控制系統(tǒng)對(duì)精確同步和快速響應(yīng)的需求。EtherCAT®支持微秒級(jí)的分布式時(shí)鐘同步，確保多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的高精度，同時(shí)其簡單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和靈活配置簡化了安裝與維護(hù)，并減少了CPU負(fù)載，使更多資源可以用于復(fù)雜的控制算法。

此外，EtherCAT®擁有廣泛的設(shè)備兼容性和強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)，眾多制造商提供符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，如伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O模塊等，確保互操作性的同時(shí)，允許用戶根據(jù)需求選擇最合適的硬件組合。

在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，EtherCAT®的應(yīng)用尤為突出。其微秒級(jí)的響應(yīng)速度和納秒級(jí)的同步精度對(duì)于六軸機(jī)械臂等需要多軸協(xié)同的設(shè)備至關(guān)重要。據(jù)公開資料顯示，庫卡、發(fā)那科等主流機(jī)器人廠商廣泛采用EtherCAT®作為控制總線，以實(shí)現(xiàn)焊接、搬運(yùn)、噴涂等復(fù)雜作業(yè)。目前熱門的人形機(jī)器人需要控制大量關(guān)節(jié)并集成多種傳感器，EtherCAT®的高帶寬和多從站管理能力為此提供了支持。其分布式時(shí)鐘機(jī)制能實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的亞微秒級(jí)同步，確保動(dòng)作流暢自然。

對(duì)于支持EtherCAT®協(xié)議的伺服系統(tǒng)而言，選擇合適的MCU作為控制核心至關(guān)重要。這種MCU首先需要擁有強(qiáng)大的處理能力，如采用高性能的CPU核心如ARM® Cortex®-M7系列，來管理實(shí)時(shí)通信和執(zhí)行復(fù)雜的伺服控制算法。此外，該MCU應(yīng)配備充足的RAM用于數(shù)據(jù)緩存和程序運(yùn)行，以及非易失性存儲(chǔ)器保存固件和設(shè)置。為了實(shí)現(xiàn)精確的位置、速度和扭矩控制，高分辨率的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是必不可少的，并且需要有ADC來采樣反饋信號(hào)。同時(shí)，MCU還需支持多種外圍接口以便連接傳感器和其他組件，并可能需要RTOS的支持來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。如果應(yīng)用涉及安全要求，MCU還應(yīng)該提供故障檢測、冗余路徑和支持安全協(xié)議等特性。

最為重要的是，MCU應(yīng)該集成或支持外部的EtherCAT®IP，以簡化設(shè)計(jì)并提高性能。ESC的主要功能是在EtherCAT®主站和從站之間的通信過程中處理以太網(wǎng)幀，并將數(shù)據(jù)映射到本地寄存器或存儲(chǔ)器中，從而支持實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)交換。集成ESC功能的MCU不僅減少了對(duì)外部組件的需求，還優(yōu)化了數(shù)據(jù)路徑，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)衡量，兆易創(chuàng)新獲得德國倍福公司（Beckhoff）正式授權(quán)并推出的EtherCAT®從站控制器GDSCN832系列，以及超高性能工業(yè)互聯(lián)MCU產(chǎn)品GD32H75E系列，無疑是當(dāng)代伺服系統(tǒng)控制核心的理想選擇。

超強(qiáng)配置和高安全性保障

這兩款芯片在ESC功能方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)其配置也超越了當(dāng)前市場上的主流產(chǎn)品。EtherCAT®從站控制芯片GDSCN832集成2個(gè)內(nèi)部PHY和1個(gè)MII擴(kuò)展接口，內(nèi)置雙通道集成Ethernet物理層設(shè)備，每個(gè)通道均提供全雙工100BASE-TX收發(fā)器，支持100Mbps運(yùn)行。該系列支持8個(gè)現(xiàn)場總線存儲(chǔ)器管理單元(FMMU)，提高了數(shù)據(jù)處理性能和安全性，有效減少內(nèi)存訪問延遲，進(jìn)一步提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)性，為用戶提供數(shù)據(jù)映射的高度靈活性。還支持8個(gè)同步管理器(Sync Manager Entities)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的高效管理。

該產(chǎn)品擁有高達(dá)8KB的雙端口內(nèi)存空間，為復(fù)雜控制系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的大數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)。內(nèi)置64位分布式時(shí)鐘，確保主機(jī)總線接口通過高速同步及異步從接口實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步功能，其時(shí)間精度優(yōu)于1µs。此外，該系列產(chǎn)品支持8位和16位串行/并行通信接口，并兼容SPI、QSPI以及OSPI從機(jī)接口，通信速率可高達(dá)100MHz。它還支持EXMC同步模式，這種豐富的接口選項(xiàng)為用戶提供了更為靈活多樣的配置方案，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

GD32H75E系列采用高性能ARM® Cortex®-M7內(nèi)核，擁有高達(dá)600MHz的超高主頻，在RAM ECC功能常開的情況下仍能維持這一卓越性能。該系列產(chǎn)品支持最高達(dá)512KB的TCM，顯著提升了實(shí)時(shí)處理能力。其片上配備了1MB SRAM，其中包含512KB TCM和512KB共享SRAM兩部分，并且擁有1024KB到3840KB的片上FLASH，為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供了充足的內(nèi)存空間。

GD32H75E集成了EtherCAT®IP，使其內(nèi)置ESC子系統(tǒng)以及一系列高性能外設(shè)資源，如3x CAN-FD、2x USB、高性能數(shù)字濾波器HPDF、EDOUT、14bit ADC、12bit DAC、比較器等。它將強(qiáng)大的MCU算力、ESC、PHY、大容量內(nèi)存、安全特性與多樣化的外設(shè)集成于一體，有效縮小PCB尺寸，降低成本，并減少功耗。這種高度集成的設(shè)計(jì)對(duì)緊湊型伺服控制器和機(jī)器人應(yīng)用尤為有利。

在工業(yè)應(yīng)用中，安全性是至關(guān)重要的考量因素，涵蓋功能安全和信息安全兩個(gè)方面。兆易創(chuàng)新的GD32H7系列已通過德國萊茵TÜV認(rèn)證，獲得IEC 61508功能安全證書，提供全面的功能安全交付包，包括硬件、軟件及文檔等所有安全要素。該系列產(chǎn)品配備了內(nèi)存ECC校驗(yàn)、看門狗定時(shí)器、供電電壓監(jiān)控、內(nèi)部溫度傳感器和內(nèi)存保護(hù)單元等功能。此外，針對(duì)CPU、SRAM和Flash，該系列提供了完整的自測庫（STL）軟件診斷解決方案，以檢測潛在的硬件故障，保障系統(tǒng)的可靠性與安全性。

在信息安全方面，產(chǎn)品設(shè)計(jì)需在保障安全與避免過度防護(hù)之間取得平衡，確保關(guān)鍵安全功能的有效實(shí)現(xiàn)，同時(shí)防止因投資于不必要的高級(jí)安全措施而增加成本和降低易用性。GD32H75E集成了代碼保護(hù)、安全啟動(dòng)、安全調(diào)試、真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG）、eFuse、硬件加密引擎及安全生命周期管理等功能，旨在提供“契合應(yīng)用”的安全特性，保持高性價(jià)比的同時(shí)確保產(chǎn)品的安全性。

通過同步推出GDSCN832系列和GD32H75E系列，兆易創(chuàng)新不僅提供了獨(dú)立的EtherCAT®接口芯片解決方案，還推出了集成EtherCAT® IP的高性能MCU。相比僅提供單一EtherCAT®接口芯片，這一策略為客戶帶來了更多選擇，顯著提升了設(shè)計(jì)靈活性。

打造更強(qiáng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

兆易創(chuàng)新以GD32H75E系列為核心打造了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方案，采用標(biāo)準(zhǔn)CIA402協(xié)議，通過TwinCAT進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可廣泛適用于機(jī)器人、數(shù)控車床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)械臂等應(yīng)用領(lǐng)域。

這個(gè)方案具備了多種強(qiáng)大特性。在控制方面，其支持輪廓位置模式(PP)，30種原點(diǎn)回歸模式(HM)和循環(huán)同步位置模式(CSP)。具體而言，在輪廓位置模式(PP)下，采用定點(diǎn)梯形曲線規(guī)劃，整個(gè)規(guī)劃過程靜止無誤差；特別是在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)也能保持平穩(wěn)和精確；結(jié)合原點(diǎn)開關(guān)和限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)30種回零模式，這種多樣性使得用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇最合適的回零策略，從而提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和精度。同時(shí)，該方案還通過內(nèi)置速度觀測器實(shí)時(shí)進(jìn)行速度觀測，即使在負(fù)載變化的情況下也能保持速度的平滑性和快速響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。

在信號(hào)采樣方面，該方案結(jié)合Σ-Δ調(diào)制器和HPDF模塊實(shí)現(xiàn)In-line電流采樣。Σ-Δ調(diào)制器是一種用于信號(hào)處理的技術(shù)，它可以改善電流采樣的分辨率和準(zhǔn)確性。而高性能數(shù)字濾波器（HPDF）模塊則進(jìn)一步優(yōu)化了信號(hào)質(zhì)量。兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的在線、高精度測量，這有助于更準(zhǔn)確地控制電機(jī)，減少電磁干擾，并提升整體效率。

總體而言，該方案融合了先進(jìn)的控制算法與技術(shù)，并通過精心設(shè)計(jì)的功能提升了整體性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中保持卓越表現(xiàn)。