在当前工业自动化向智能化、柔性化发展的趋势下，高效可靠的通信与控制技术成为关键支撑。兆易创新（GigaDevice）近期推出的GDSCN832 EtherCAT从站控制器与GD32H75E超高性能微控制器（MCU） 构成了一套完整的芯片级解决方案。该方案深度融合硬件加速与实时控制算法，显著提升了EtherCAT网络的数据传输效率和同步精度，特别适用于工业机器人、协作机器人及精密运动控制领域，助力实现多轴设备的高精度协调与柔性制造。
依托这些产品，兆易创新将进一步推动工业自动化与机器人技术的深度融合，为开发者带来更丰富、高效的解决方案，驱动工业控制系统的创新与升级。
EtherCAT®技术需要怎样的MCU来适配
诞生于2003年的EtherCAT®（Ethernet for Control Automation Technology）是一种专为工业自动化设计的高性能以太网通信协议。它通过提供高速、稳定的数据传输，满足了伺服控制系统对精确同步和快速响应的需求。EtherCAT®支持微秒级的分布式时钟同步，确保多轴协调运动控制的高精度，同时其简单的网络拓扑结构和灵活配置简化了安装与维护，并减少了CPU负载，使更多资源可以用于复杂的控制算法。
此外，EtherCAT®拥有广泛的设备兼容性和强大的生态系统，众多制造商提供符合标准的产品，如伺服驱动器、I/O模块等，确保互操作性的同时，允许用户根据需求选择最合适的硬件组合。
在工业机器人领域，EtherCAT®的应用尤为突出。其微秒级的响应速度和纳秒级的同步精度对于六轴机械臂等需要多轴协同的设备至关重要。据公开资料显示，库卡、发那科等主流机器人厂商广泛采用EtherCAT®作为控制总线，以实现焊接、搬运、喷涂等复杂作业。目前热门的人形机器人需要控制大量关节并集成多种传感器，EtherCAT®的高带宽和多从站管理能力为此提供了支持。其分布式时钟机制能实现各关节的亚微秒级同步，确保动作流畅自然。
对于支持EtherCAT®协议的伺服系统而言，选择合适的MCU作为控制核心至关重要。这种MCU首先需要拥有强大的处理能力，如采用高性能的CPU核心如ARM® Cortex®-M7系列，来管理实时通信和执行复杂的伺服控制算法。此外，该MCU应配备充足的RAM用于数据缓存和程序运行，以及非易失性存储器保存固件和设置。为了实现精确的位置、速度和扭矩控制，高分辨率的定时器/计数器是必不可少的，并且需要有ADC来采样反馈信号。同时，MCU还需支持多种外围接口以便连接传感器和其他组件，并可能需要RTOS的支持来确保系统的稳定性和响应速度。如果应用涉及安全要求，MCU还应该提供故障检测、冗余路径和支持安全协议等特性。
最为重要的是，MCU应该集成或支持外部的EtherCAT®IP，以简化设计并提高性能。ESC的主要功能是在EtherCAT®主站和从站之间的通信过程中处理以太网帧，并将数据映射到本地寄存器或存储器中，从而支持实时、高效的数据交换。集成ESC功能的MCU不仅减少了对外部组件的需求，还优化了数据路径，进一步增强了系统的响应速度和稳定性。
根据上述标准衡量，兆易创新获得德国倍福公司（Beckhoff）正式授权并推出的EtherCAT®从站控制器GDSCN832系列，以及超高性能工业互联MCU产品GD32H75E系列，无疑是当代伺服系统控制核心的理想选择。
超强配置和高安全性保障
这两款芯片在ESC功能方面表现优异，同时其配置也超越了当前市场上的主流产品。EtherCAT®从站控制芯片GDSCN832集成2个内部PHY和1个MII扩展接口，内置双通道集成Ethernet物理层设备，每个通道均提供全双工100BASE-TX收发器，支持100Mbps运行。该系列支持8个现场总线存储器管理单元(FMMU)，提高了数据处理性能和安全性，有效减少内存访问延迟，进一步提升系统响应速度和实时性，为用户提供数据映射的高度灵活性。还支持8个同步管理器(Sync Manager Entities)，实现内存的高效管理。
该产品拥有高达8KB的双端口内存空间，为复杂控制系统提供了坚实的大数据处理基础。内置64位分布式时钟，确保主机总线接口通过高速同步及异步从接口实现高精度的时间同步功能，其时间精度优于1µs。此外，该系列产品支持8位和16位串行/并行通信接口，并兼容SPI、QSPI以及OSPI从机接口，通信速率可高达100MHz。它还支持EXMC同步模式，这种丰富的接口选项为用户提供了更为灵活多样的配置方案，以满足不同应用场景的需求。
GD32H75E系列采用高性能ARM® Cortex®-M7内核，拥有高达600MHz的超高主频，在RAM ECC功能常开的情况下仍能维持这一卓越性能。该系列产品支持最高达512KB的TCM，显著提升了实时处理能力。其片上配备了1MB SRAM，其中包含512KB TCM和512KB共享SRAM两部分，并且拥有1024KB到3840KB的片上FLASH，为数据密集型应用提供了充足的内存空间。
GD32H75E集成了EtherCAT®IP，使其内置ESC子系统以及一系列高性能外设资源，如3x CAN-FD、2x USB、高性能数字滤波器HPDF、EDOUT、14bit ADC、12bit DAC、比较器等。它将强大的MCU算力、ESC、PHY、大容量内存、安全特性与多样化的外设集成于一体，有效缩小PCB尺寸，降低成本，并减少功耗。这种高度集成的设计对紧凑型伺服控制器和机器人应用尤为有利。
在工业应用中，安全性是至关重要的考量因素，涵盖功能安全和信息安全两个方面。兆易创新的GD32H7系列已通过德国莱茵TÜV认证，获得IEC 61508功能安全证书，提供全面的功能安全交付包，包括硬件、软件及文档等所有安全要素。该系列产品配备了内存ECC校验、看门狗定时器、供电电压监控、内部温度传感器和内存保护单元等功能。此外，针对CPU、SRAM和Flash，该系列提供了完整的自测库（STL）软件诊断解决方案，以检测潜在的硬件故障，保障系统的可靠性与安全性。
在信息安全方面，产品设计需在保障安全与避免过度防护之间取得平衡，确保关键安全功能的有效实现，同时防止因投资于不必要的高级安全措施而增加成本和降低易用性。GD32H75E集成了代码保护、安全启动、安全调试、真随机数生成器（TRNG）、eFuse、硬件加密引擎及安全生命周期管理等功能，旨在提供“契合应用”的安全特性，保持高性价比的同时确保产品的安全性。
通过同步推出GDSCN832系列和GD32H75E系列，兆易创新不仅提供了独立的EtherCAT®接口芯片解决方案，还推出了集成EtherCAT® IP的高性能MCU。相比仅提供单一EtherCAT®接口芯片，这一策略为客户带来了更多选择，显著提升了设计灵活性。
打造更强的伺服电机驱动
兆易创新以GD32H75E系列为核心打造了伺服电机驱动应用方案，采用标准CIA402协议，通过TwinCAT进行实时控制，可广泛适用于机器人、数控车床、自动化生产线、机械臂等应用领域。
这个方案具备了多种强大特性。在控制方面，其支持轮廓位置模式(PP)，30种原点回归模式(HM)和循环同步位置模式(CSP)。具体而言，在轮廓位置模式(PP)下，采用定点梯形曲线规划，整个规划过程静止无误差；特别是在高速运动时也能保持平稳和精确；结合原点开关和限位开关，实现30种回零模式，这种多样性使得用户可以根据具体应用场景选择最合适的回零策略，从而提高系统的适应性和精度。同时，该方案还通过内置速度观测器实时进行速度观测，即使在负载变化的情况下也能保持速度的平滑性和快速响应，提高了系统的动态性能和稳定性。
在信号采样方面，该方案结合Σ-Δ调制器和HPDF模块实现In-line电流采样。Σ-Δ调制器是一种用于信号处理的技术，它可以改善电流采样的分辨率和准确性。而高性能数字滤波器（HPDF）模块则进一步优化了信号质量。两者结合实现了对电机驱动电流的在线、高精度测量，这有助于更准确地控制电机，减少电磁干扰，并提升整体效率。
总体而言，该方案融合了控制算法与技术，并通过精心设计的功能提升了整体性能，增强了系统稳定性，确保系统在复杂工业环境中保持卓越表现。
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