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在工業(yè)自動化領域不斷追求高效、智能和互聯(lián)的背景下，兆易創(chuàng)新憑借其一系列先進芯片解決方案樹立了新的行業(yè)標桿。為了加速EtherCAT®技術的應用與發(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，集成了先進的控制算法與硬件技術，顯著提升了系統(tǒng)的實時性、靈活性與成本效益，尤其適用于對高精度同步和多軸協(xié)調要求嚴苛的機器人領域。借助其高帶寬、低延遲的通信特性，可廣泛服務于工業(yè)機器人、協(xié)作機器人及自動化產(chǎn)線中的運動控制系統(tǒng)，為機器人智能化與柔性制造提供強有力的底層支撐。

依托這些產(chǎn)品，兆易創(chuàng)新將進一步推動工業(yè)自動化與機器人技術的深度融合，為開發(fā)者帶來更豐富、高效的解決方案，驅動工業(yè)控制系統(tǒng)的創(chuàng)新與升級。

EtherCAT®技術需要怎樣的MCU來適配

誕生于2003年的EtherCAT®（Ethernet for Control Automation Technology）是一種專為工業(yè)自動化設計的高性能以太網(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)對精確同步和快速響應的需求。EtherCAT®支持微秒級的分布式時鐘同步，確保多軸協(xié)調運動控制的高精度，同時其簡單的網(wǎng)絡拓撲結構和靈活配置簡化了安裝與維護，并減少了CPU負載，使更多資源可以用于復雜的控制算法。

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

在工業(yè)機器人領域，EtherCAT®的應用尤為突出。其微秒級的響應速度和納秒級的同步精度對于六軸機械臂等需要多軸協(xié)同的設備至關重要。據(jù)公開資料顯示，庫卡、發(fā)那科等主流機器人廠商廣泛采用EtherCAT®作為控制總線，以實現(xiàn)焊接、搬運、噴涂等復雜作業(yè)。目前熱門的人形機器人需要控制大量關節(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。其分布式時鐘機制能實現(xiàn)各關節(jié)的亞微秒級同步，確保動作流暢自然。

對于支持EtherCAT®協(xié)議的伺服系統(tǒng)而言，選擇合適的MCU作為控制核心至關重要。這種MCU首先需要擁有強大的處理能力，如采用高性能的CPU核心如ARM® Cortex®-M7系列，來管理實時通信和執(zhí)行復雜的伺服控制算法。此外，該MCU應配備充足的RAM用于數(shù)據(jù)緩存和程序運行，以及非易失性存儲器保存固件和設置。為了實現(xiàn)精確的位置、速度和扭矩控制，高分辨率的定時器/計數(shù)器是必不可少的，并且需要有ADC來采樣反饋信號。同時，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)定性和響應速度。如果應用涉及安全要求，MCU還應該提供故障檢測、冗余路徑和支持安全協(xié)議等特性。

最為重要的是，MCU應該集成或支持外部的EtherCAT®IP，以簡化設計并提高性能。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器中，從而支持實時、高效的數(shù)據(jù)交換。集成ESC功能的MCU不僅減少了對外部組件的需求，還優(yōu)化了數(shù)據(jù)路徑，進一步增強了系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性。

根據(jù)上述標準衡量，兆易創(chuàng)新獲得德國倍福公司（Beckhoff）正式授權并推出的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，無疑是當代伺服系統(tǒng)控制核心的理想選擇。

超強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，同時其配置也超越了當前市場上的主流產(chǎn)品。EtherCAT®從站控制芯片GDSCN832集成2個內部PHY和1個MII擴展接口，內置雙通道集成Ethernet物理層設備，每個通道均提供全雙工100BASE-TX收發(fā)器，支持100Mbps運行。該系列支持8個現(xiàn)場總線存儲器管理單元(FMMU)，提高了數(shù)據(jù)處理性能和安全性，有效減少內存訪問延遲，進一步提升系統(tǒng)響應速度和實時性，為用戶提供數(shù)據(jù)映射的高度靈活性。還支持8個同步管理器(Sync Manager Entities)，實現(xiàn)內存的高效管理。

該產(chǎn)品擁有高達8KB的雙端口內存空間，為復雜控制系統(tǒng)提供了堅實的大數(shù)據(jù)處理基礎。內置64位分布式時鐘，確保主機總線接口通過高速同步及異步從接口實現(xiàn)高精度的時間同步功能，其時間精度優(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從機接口，通信速率可高達100MHz。它還支持EXMC同步模式，這種豐富的接口選項為用戶提供了更為靈活多樣的配置方案，以滿足不同應用場景的需求。

GD32H75E系列采用高性能ARM® Cortex®-M7內核，擁有高達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512KB的TCM，顯著提升了實時處理能力。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)密集型應用提供了充足的內存空間。

GD32H75E集成了EtherCAT®IP，使其內置ESC子系統(tǒng)以及一系列高性能外設資源，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。它將強大的MCU算力、ESC、PHY、大容量內存、安全特性與多樣化的外設集成于一體，有效縮小PCB尺寸，降低成本，并減少功耗。這種高度集成的設計對緊湊型伺服控制器和機器人應用尤為有利。

在工業(yè)應用中，安全性是至關重要的考量因素，涵蓋功能安全和信息安全兩個方面。兆易創(chuàng)新的GD32H7系列已通過德國萊茵TÜV認證，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)品配備了內存ECC校驗、看門狗定時器、供電電壓監(jiān)控、內部溫度傳感器和內存保護單元等功能。此外，針對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)品設計需在保障安全與避免過度防護之間取得平衡，確保關鍵安全功能的有效實現(xiàn)，同時防止因投資于不必要的高級安全措施而增加成本和降低易用性。GD32H75E集成了代碼保護、安全啟動、安全調試、真隨機數(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“契合應用”的安全特性，保持高性價比的同時確保產(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，顯著提升了設計靈活性。

打造更強的伺服電機驅動

兆易創(chuàng)新以GD32H75E系列為核心打造了伺服電機驅動應用方案，采用標準CIA402協(xié)議，通過TwinCAT進行實時控制，可廣泛適用于機器人、數(shù)控車床、自動化生產(chǎn)線、機械臂等應用領域。

這個方案具備了多種強大特性。在控制方面，其支持輪廓位置模式(PP)，30種原點回歸模式(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，采用定點梯形曲線規(guī)劃，整個規(guī)劃過程靜止無誤差；特別是在高速運動時也能保持平穩(wěn)和精確；結合原點開關和限位開關，實現(xiàn)30種回零模式，這種多樣性使得用戶可以根據(jù)具體應用場景選擇最合適的回零策略，從而提高系統(tǒng)的適應性和精度。同時，該方案還通過內置速度觀測器實時進行速度觀測，即使在負載變化的情況下也能保持速度的平滑性和快速響應，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

在信號采樣方面，該方案結合Σ-Δ調制器和HPDF模塊實現(xiàn)In-line電流采樣。Σ-Δ調制器是一種用于信號處理的技術，它可以改善電流采樣的分辨率和準確性。而高性能數(shù)字濾波器（HPDF）模塊則進一步優(yōu)化了信號質量。兩者結合實現(xiàn)了對電機驅動電流的在線、高精度測量，這有助于更準確地控制電機，減少電磁干擾，并提升整體效率。

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