【導(dǎo)讀】提到工業(yè)、儲(chǔ)能和機(jī)器人領(lǐng)域，EtherCAT一定是一個(gè)繞不開(kāi)的話(huà)題。據(jù)HMS Networks 數(shù)據(jù)，2025年全球工業(yè)網(wǎng)絡(luò)EtherCAT在新接入節(jié)點(diǎn)中的占比達(dá)到17%，較2024年的16%繼續(xù)保持增長(zhǎng)。
2026年慕尼黑上海電子展上，納芯微推出全新的NS800RTA7系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品不僅片內(nèi)原生集成德國(guó)官方授權(quán)EtherCAT ESC從站控制器，同時(shí)首次集成自研第二代eMATH數(shù)字運(yùn)算加速器并繼續(xù)集成CLB可配置邏輯模塊。
“EtherCAT已經(jīng)成為頭部客戶(hù)量產(chǎn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化通信方案，落地確定性高，有大批量終端客戶(hù)明確需求，所以我們?cè)诖舜蝺?yōu)先布局片內(nèi)集成EtherCAT的MCU產(chǎn)品。”納芯微MCU市場(chǎng)總監(jiān)宋昆鵬向EEWorld說(shuō)道。
為什么大家都在關(guān)注EtherCAT
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司在 2003 年首次提出，并成立EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)（ETG）。ETG 是目前全球最大的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)用戶(hù)組織，擁有來(lái)自67個(gè)國(guó)家的6000多家會(huì)員單位。
在EtherCAT誕生之前，工業(yè)界急需一種高速、高效且低成本的通信解決方案，EtherCAT憑借其突破傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用局限的特點(diǎn)，迅速獲得關(guān)注。它的最大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度極快，能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級(jí)的同步精度。
EtherCAT僅使用了物理層、鏈路層、應(yīng)用層三層協(xié)議，與多數(shù)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相同，但相比于其它實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，如PROFINET、EtherNet/IP等，其協(xié)議棧更加精簡(jiǎn)。因此它具備超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠在極短時(shí)間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的交換，滿(mǎn)足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制需求。這剛好與納芯微MCU實(shí)時(shí)控制的定位不謀而合。
當(dāng)下，之所以EtherCAT表現(xiàn)出統(tǒng)治力，一是因?yàn)楠?dú)有的On-the-Fly/Processing on the Fly?（飛行處理）特性，它不基于IP協(xié)議，是其高性能的核心設(shè)計(jì)，允許從站在不存儲(chǔ)完整報(bào)文的情況下，直接讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)實(shí)時(shí)通信了；二是開(kāi)放，幾乎無(wú)限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)可以組成線(xiàn)型、樹(shù)型、星型拓?fù)浼叭魏瓮負(fù)涞慕M合，是迄今為止在市場(chǎng)上擁有廠商和設(shè)備種類(lèi)最多的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之一；三是簡(jiǎn)單耐用低成本，EtherCAT可以自動(dòng)配置地址，而無(wú)需手動(dòng)配置。
具體來(lái)看，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議不同，EtherCAT數(shù)據(jù)幀無(wú)需存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，從站設(shè)備在數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)時(shí)直接讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)段，單幀處理延遲僅為1μs。技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要包括：
分布式時(shí)鐘同步：基于主從站時(shí)鐘偏移補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步誤差低于100 ns（遵循IEEE 1588增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)）；
數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用8字節(jié)緊湊型幀頭，數(shù)據(jù)負(fù)載率可達(dá)98%（高于PROFINET的60%），顯著提升帶寬利用率。
正因種種優(yōu)勢(shì)，最近幾年，國(guó)內(nèi)MCU廠商都很關(guān)注EtherCAT，不斷推出集成倍福官方授權(quán)EtherCAT從站控制器（ESC, EtherCAT Slave Controller）的產(chǎn)品。而現(xiàn)在，納芯微也加入到了這項(xiàng)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)之中。對(duì)于EtherCAT，納芯微有著自己的理解。
納芯微算力最高的實(shí)時(shí)控制MCU
隨著此次全新NS800RTA7系列發(fā)布，納芯微在實(shí)時(shí)控制MCU賽道的布局縱深越來(lái)越深。宋昆鵬回顧，2024年11月，納芯微正式推出首款NS800RT5系列實(shí)時(shí)控制MCU。不到一年半時(shí)間，公司完成NS800RT1、RT3、RT5、RT7四大實(shí)時(shí)控制MCU產(chǎn)品系列布局。今年慕展，NS800RTA7的加入，使得納芯微實(shí)時(shí)控制MCU產(chǎn)品線(xiàn)擴(kuò)展至五大系列、九十余款標(biāo)準(zhǔn)化型號(hào)。
NS800RTA7系列是目前公司發(fā)布的算力最高的實(shí)時(shí)控制MCU，包括NS800RTA7P65DE、NS800RTA7P66DE、NS800RTA7P66TE三款產(chǎn)品，三款產(chǎn)品共享完全一致的外設(shè)硬件資源，每款均提供三種不同封裝版本，合計(jì)擁有九款細(xì)分物料型號(hào)。
為什么要發(fā)布這樣的新產(chǎn)品
宋昆鵬解釋道，過(guò)往推出的 RT1、RT3、RT5、RT7系列MCU已能夠覆蓋現(xiàn)有大部分控制需求，而隨著行業(yè)技術(shù)迭代，終端設(shè)備現(xiàn)在衍生出了多項(xiàng)全新的硬性需求：
第一，設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)控制算法復(fù)雜程度持續(xù)提升；第二，整機(jī)需要同步執(zhí)行多任務(wù)協(xié)同運(yùn)算調(diào)度；第三，設(shè)備間對(duì)高速低延遲實(shí)時(shí)工業(yè)通信存在剛需；第四，工業(yè)機(jī)器人普及之后多軸電機(jī)同步控制、多軸伺服聯(lián)動(dòng)需求爆發(fā)，并且多軸設(shè)備對(duì)于軸與軸之間的同步控制精度要求極高；第五，各類(lèi)控制設(shè)備對(duì)于模擬信號(hào)高精度采樣需求持續(xù)上漲，同時(shí)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求極致小型化；第六，儲(chǔ)能、大功率電力電子這類(lèi)高價(jià)設(shè)備對(duì)芯片運(yùn)行可靠性、功能安全等級(jí)要求大幅提升。
基于此，納芯微針對(duì)性為NS800RTA7系列賦予了全新硬件功能特性，分別是多核并行運(yùn)算架構(gòu)、片內(nèi)原生集成德國(guó)官方授權(quán)EtherCAT ESC從站控制器、提供多款小尺寸緊湊型BGA封裝、內(nèi)置全套對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)硬件加密安全引擎。
NS800RTA7系列芯片核心適配的應(yīng)用場(chǎng)景包含機(jī)器人、大型工商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)、通用伺服驅(qū)動(dòng)器幾大類(lèi)設(shè)備。當(dāng)然，得益于強(qiáng)大性能和配置，產(chǎn)品適配場(chǎng)景并不局限于此。
NS800RTA7系列的硬件配置
內(nèi)核方面，NS800RTA7系列最多集成三個(gè)同構(gòu)Cortex-M7處理器，每個(gè)內(nèi)核均配備納芯微第二代自研eMATH數(shù)字運(yùn)算加速器，支持硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）及獨(dú)立緊耦合存儲(chǔ)器（TCM）。值得注意的是，eMath是納芯微拉開(kāi)市面Arm MCU差距的關(guān)鍵單元，相比第一代eMATH，第二代eMATH整體運(yùn)算性能提升接近一倍。
存儲(chǔ)方面，最高集成1.8MB片上eFlash，是目前納芯微MCU產(chǎn)品中Flash容量最大的型號(hào)，同時(shí)配備864KB SRAM，其中608KB為三個(gè)內(nèi)核獨(dú)立配置的TCM。
模擬方面，芯片內(nèi)置四個(gè)獨(dú)立ADC信號(hào)采集模組，最高支持55路模擬輸入通道，單個(gè)ADC模組最多能夠配置32路SOC硬件觸發(fā)事件，可滿(mǎn)足碳化硅、氮化鎵等高頻電力電子系統(tǒng)的多路同步采樣需求。
接口方面，除片內(nèi)集成EtherCAT控制器外，芯片還支持USB、FSI高速工業(yè)通信接口，并提供CAN FD、LIN、SPI、I2C等通用總線(xiàn)接口。
安全方面，芯片集成完整的硬件加密模塊，工規(guī)產(chǎn)品硬件架構(gòu)符合IEC 61508 SIL2工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)規(guī)產(chǎn)品將支持ISO 26262 ASIL B認(rèn)證。此前量產(chǎn)的RT5系列已經(jīng)獲得相應(yīng)功能安全認(rèn)證，RTA7車(chē)規(guī)產(chǎn)品也將隨著量產(chǎn)完成認(rèn)證。
信息安全方面，NS800RTA7首次在實(shí)時(shí)控制MCU中集成非對(duì)稱(chēng)硬件加密引擎，在保留AES、SHA、TRNG等安全模塊基礎(chǔ)上，新增RSA 4096位和ECC 521位硬件加密能力，并集成覆蓋eFlash、SRAM及TCM的ECC存儲(chǔ)糾錯(cuò)機(jī)制，可自動(dòng)檢測(cè)并修復(fù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤，進(jìn)一步提升關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)的可靠性。
封裝方面，NS800RTA7系列提供9mm×9mm BGA169和13mm×13mm BGA256兩種緊湊型BGA封裝，同時(shí)保留HLQFP176等傳統(tǒng)封裝，以滿(mǎn)足不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。
生態(tài)方面，NS800RTA7兼容Keil MDK和IAR EWARM兩大主流開(kāi)發(fā)工具，支持納芯微自研NovoStudio開(kāi)發(fā)平臺(tái)。公司還將推出NovoMonitor實(shí)時(shí)調(diào)試工具，并配套NovoClbConfig圖形化CLB配置軟件，同時(shí)提供評(píng)估板、硬件仿真器以及完整SDK。
操作系統(tǒng)方面，納芯微已成為RT-Thread高級(jí)會(huì)員，完成NS800RT7及RTA7全系列產(chǎn)品對(duì)RT-Thread的完整移植，支持FreeRTOS和uC/OS-II等主流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為多核、多任務(wù)開(kāi)發(fā)提供完整的軟件支持。
值得關(guān)注的是，同系列不同內(nèi)核配置產(chǎn)品均保持引腳兼容，方便客戶(hù)在同一PCB平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同性能產(chǎn)品的快速升級(jí)。
四大核心技術(shù)解析
第一大核心創(chuàng)新點(diǎn)是NS800RTA7P65DE、NS800RTA7P66DE、NS800RTA7P66TE提供三種內(nèi)核配置。三款芯片采用統(tǒng)一外設(shè)資源，區(qū)別主要在于內(nèi)核數(shù)量、主頻組合及TCM容量，即：200MHz+400MHz M7的“大小核”配置，2 x 400MHz M7的“雙大核”配置，2x 400MHz+1x 200MHz M7的“三核”配置。
這樣設(shè)計(jì)是為了應(yīng)付不同的應(yīng)用場(chǎng)景。比如，大小核400MHz+200MHz在單軸伺服應(yīng)用中，高主頻400MHz內(nèi)核可專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)電流環(huán)控制，而200MHz內(nèi)核負(fù)責(zé)EtherCAT通信、速度環(huán)和位置環(huán)控制；雙400MHz方案適用于雙軸伺服，每顆內(nèi)核分別承擔(dān)一套完整電機(jī)控制任務(wù)；三核方案能夠支撐六軸工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)，其中兩顆400MHz內(nèi)核分別負(fù)責(zé)六軸電流環(huán)計(jì)算，200MHz內(nèi)核統(tǒng)一負(fù)責(zé)EtherCAT通信及全部速度環(huán)、位置環(huán)運(yùn)算。
由此來(lái)看，通過(guò)分配一顆獨(dú)立處理器專(zhuān)門(mén)承擔(dān)EtherCAT通信任務(wù)，并為其配置獨(dú)立TCM存儲(chǔ)器和第二代eMATH加速器，使通信與控制任務(wù)能夠徹底分離，進(jìn)一步提升軟件架構(gòu)的靈活性，一套硬件平臺(tái)即可滿(mǎn)足當(dāng)前以及未來(lái)數(shù)年的算力升級(jí)需求，客戶(hù)無(wú)需頻繁更換硬件平臺(tái)即可完成產(chǎn)品迭代。
“市面上多數(shù)廠商會(huì)選擇異構(gòu)多核架構(gòu)，會(huì)對(duì)客戶(hù)任務(wù)分配造成諸多限制，我們放棄異構(gòu)方案選擇同構(gòu)方案，是為了給客戶(hù)提供高度靈活的平臺(tái)化開(kāi)發(fā)空間，我們此前通過(guò)NS800RT1系列產(chǎn)品將工業(yè)實(shí)時(shí)MCU硬件成本下探至5元級(jí)別，在算力普惠、成本控制層面具備充足的技術(shù)與供應(yīng)鏈底氣?！彼卫i如是說(shuō)。
第二大核心創(chuàng)新點(diǎn)是片內(nèi)集成經(jīng)過(guò)德國(guó)官方授權(quán)的EtherCAT ESC從站控制器。ESC運(yùn)行過(guò)程中幾乎無(wú)需MCU參與數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)MCU零負(fù)載運(yùn)行；內(nèi)置獨(dú)立16KB專(zhuān)用RAM，不占用MCU自身864KB SRAM資源；同時(shí)硬件原生完整支持FMMU內(nèi)存管理單元，PDO過(guò)程數(shù)據(jù)映射配置高度靈活。
反觀傳統(tǒng)伺服控制方案通常采用MCU外掛獨(dú)立ESC芯片，兩者通過(guò)SPI通信，不僅增加通信延遲和整機(jī)失效率，也增加BOM成本和PCB面積。
納芯微已完成芯片的長(zhǎng)時(shí)間壓力測(cè)試，并向首批客戶(hù)提供工程樣片。在50μs超短通信周期下，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；在125μs標(biāo)準(zhǔn)通信周期下，MCU整體運(yùn)算負(fù)載僅約2%；多節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步抖動(dòng)數(shù)值小于30ns，可滿(mǎn)足多軸伺服系統(tǒng)納秒級(jí)同步控制需求。
第三大核心創(chuàng)新點(diǎn)是升級(jí)到第二代eMATH數(shù)字運(yùn)算加速器，其執(zhí)行單精度Sin、Cos、開(kāi)方浮點(diǎn)運(yùn)算，運(yùn)算速度對(duì)比Arm內(nèi)核純軟件運(yùn)算分別提升六倍、七倍、三倍。第二代eMATH還集成FFT、iFFT、FIR、IIR以及卷積等硬件加速單元，可覆蓋光伏、儲(chǔ)能、機(jī)器人等應(yīng)用的大多數(shù)控制算法。
納芯微在電機(jī)FOC控制測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，搭載400MHz Cortex-M7及第二代eMATH的芯片，與市場(chǎng)600MHz通用MCU完成同樣電流環(huán)算法所需時(shí)間基本相同，以較低主頻獲得同等級(jí)控制性能。這一套FOC電流環(huán)算法包括Clarke變換、Park變換、反Park變換以及PID控制，僅需132個(gè)CPU周期，總耗時(shí)約330ns。
第四大核心創(chuàng)新點(diǎn)是首次集成CLB（Configurable Logic Block）可配置邏輯模塊，可直接實(shí)現(xiàn)編碼器解碼等邏輯功能，能夠直接省去整機(jī)板卡外掛小型 FPGA、CPLD芯片，降低整機(jī)物料成本與PCB面積。
此外，通過(guò)配套專(zhuān)屬NovoClbConfig圖形化配置工具完成配置，開(kāi)發(fā)人員無(wú)需掌握Verilog語(yǔ)言即可完成邏輯開(kāi)發(fā)，同時(shí)還可應(yīng)用于光伏逆變器三電平控制等場(chǎng)景，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本和PCB面積。
對(duì)未來(lái)市場(chǎng)的展望
對(duì)于未來(lái)集成EtherCAT實(shí)時(shí)控制MCU市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，宋昆鵬認(rèn)為，目前行業(yè)仍處于發(fā)展初期，各家廠商都會(huì)陸續(xù)推出類(lèi)似產(chǎn)品，整體呈現(xiàn)百花齊放的競(jìng)爭(zhēng)格局。隨著工業(yè)機(jī)器人、儲(chǔ)能設(shè)備等終端市場(chǎng)逐漸向頭部企業(yè)集中，芯片供應(yīng)商也將經(jīng)歷新一輪整合。
長(zhǎng)期來(lái)看，以機(jī)器人市場(chǎng)舉例，該市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將可能發(fā)展成類(lèi)似于汽車(chē)MCU市場(chǎng)，最終比拼的將是完整的產(chǎn)品矩陣、針對(duì)細(xì)分行業(yè)的定制能力以及持續(xù)的軟件生態(tài)建設(shè)。
談及未來(lái)產(chǎn)品路線(xiàn)，宋昆鵬介紹，隨著工業(yè)終端對(duì)于算力和集成度需求不斷提升，納芯微未來(lái)研發(fā)將分兩個(gè)階段推進(jìn)：第一階段持續(xù)完善標(biāo)準(zhǔn)化通用實(shí)時(shí)控制MCU產(chǎn)品平臺(tái)，構(gòu)建完整產(chǎn)品矩陣；第二階段則面向機(jī)器人、光伏逆變器、儲(chǔ)能PCS等細(xì)分行業(yè)推出更加針對(duì)專(zhuān)用的芯片。
他表示，國(guó)內(nèi)不少客戶(hù)在整機(jī)終端已經(jīng)全球領(lǐng)先，納芯微將與這些客戶(hù)保持深度協(xié)同，共同推進(jìn)芯片架構(gòu)持續(xù)迭代，并同步拓展海外工業(yè)客戶(hù)合作，加快產(chǎn)品國(guó)際化布局。
當(dāng)下很多廠商都在不斷提升MCU的AI性能，對(duì)此，宋昆鵬透露，公司計(jì)劃于2026年底推出具有AI能力的新一代實(shí)時(shí)控制MCU。
展望未來(lái)，納芯微還將持續(xù)加大實(shí)時(shí)控制MCU的研發(fā)投入，重點(diǎn)布局工業(yè)控制、數(shù)字能源、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。
