为工业以太网和电机控制而生，先楫HPM6E00跨界MCU开始量产

时间： 2024-09-06 来源：先楫半导体HPMicro公众号

技术问答

半导体业界在几年前提出了跨界MCU的概念，就是在保持传统MCU高实时性和简单易用的特点之上，在算力、图像处理、通信速度，以及控制能力上进一步提升，以满足市场对MCU性能增长的需求。

正是因为MCU的这种变化，不断扩大了传统MCU的应用范围，同时以前需要使用DSP，SoC，甚至FPGA的应用场景，开始出现了MCU的身影，特别是一些工业和电机控制应用场景。在过去几年，不论是国际MCU厂商，还是国内MCU厂商在跨界MCU方面有所投入，包括新产品和相关生态，先楫半导体就是其中之一。

不久前，先楫半导体率先推出了一款专为工业以太网和电机控制而生的跨界MCU产品HPM6E00系列。该系列MCU集成了德国倍福公司（Beckhoff）正式授权的EterhCAT 从站控制器 (ESC: EtherCAT Slave Controller)、高性能RISC-V内核CPU，以及丰富的运动控制外设。

图：先楫半导体新推出的HPM6E00系列MCU（来源：先楫半导体）

先楫半导体董事长兼CEO曾劲涛表示，先楫半导体看到了MCU跨界发展趋势，成立之初就从高性能MCU切入，推出了第一款高性能的MCU产品HPM6700，随后根据客户的需求，依托自身的技术实力和创新能力，依次推出了高性价比的HPM6300、集成精准控制的HPM6200、集成运动控制的HPM5300、集成仪表显示的HPM6800，以及最新的集成了ESC的HPM6E00系列。

图：先楫半导体董事长兼CEO曾劲涛

他同时强调，先楫半导体非常重视知识产权保护，HPM6E00系列是国内首款拥有德国倍福公司正式授权的EtherCAT从站控制器的高性能MCU产品。

据先楫官方介绍，HPM6E00具备高性能运动控制、高实时工业以太网互联的特性，提供RISC-V双核、多达3端口千兆以太网路由模块，支持多种工业以太网协议和时间敏感网络 (TSN: Time-Sensitive Networking)，具有32路高分辨率PWM输出、16位ADC、Σ-∆数字滤波等外设模块。可以说，HPM6E00系列产品实现了高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的结合，能够帮助行业客户实现高性能伺服电机控制、机器人运动控制、数据传输系统和监控系统等多样化应用落地。

HPM6E00系列主要特性
先楫半导体产品总监费振东在HPM6E00新品发布会上介绍，HPM6E00是先楫获得倍福EtherCAT从站控制器授权后，将EtherCAT与其他高速以太网，以及先楫之前成功应用的高性能运动控制外设结合在一起的产物。

图：先楫半导体产品总监费振东介绍HPM6E00

HPM6E00系列主要包括四个型号：HPM6E80、HPM6E70、HPM6E60及HPM6E50。其中，HPM6E80、HPM6E70是双核版本，具有两颗主频高达600MHz的RISC-V内核CPU，支持2MB的片上SRAM，包括每个内核内部各有256KB的ILM（指令本地存储器）和256KB的DLM（数据本地存储器）高速存储器；除了支持3端口的EtherCAT从站控制器之外，还具有一个千兆以太网交换机，其中HPM6E80支持TSN特性，HPM6E70不支持。具有32通道的PWM模块、2套硬件环路控制系统、4套精确位置系统等。

HPM6E60与HPM6E50则是单核版本，具有一颗主频高达600MHz的RISC-V内核。其中HPM6E50配置最为精简，性价比最高。它具有1MB的片上SRAM，支持2端口EtherCAT从站控制器，不支持TSN以太网交换机，PWM方面支持32通道，但硬件环路控制系统仅有1套，且精确位置系统也缩减到了2套，因此可以支持2轴伺服电机控制。

图：HPM6E00系列产品内部系统框图（来源：先楫半导体）

模拟

整个HPM6E00系列，包括HPM6E80和HPM6E70都支持4个16位的片上SAR逐次逼近型ADC，转换率可达2MSPS。支持Σ-Δ数字滤波，总共支持2个4通道Σ-Δ数字滤波器，因此，它可以采集总共8通道的模拟量。HPM6E50则支持总共4通道Σ-Δ数字滤波器，支持4个模拟量的采集；支持3个16位的2MSPS采样ADC。

通信接口

具有1 个内置 PHY 的高速 USB，多达 8路 CAN/CAN-FD 接口、17个UART串口、8个SPI和8个I2C接口。

外部存储器扩展

支持SDRAM扩展，及SRAM的扩展，同时支持并口总线，可以支持包括FPGA在内的各类外部设备。

封装

HPM6E00系列支持两种GBA封装，分别是14×14mm的289Pin封装和12×12mm的196Pin封装。选用的球间距是0.8mm，而且相同封装的引脚是兼容的，方便客户方案的PCB设计。

温度范围

支持-40℃到105℃的宽温度范围，支持恶劣的应用场景。

值得注意的是，HPM6E00系列已于2024年6月27日全面上市。全部型号都已经正式量产，可以接受客户的量产订单。

HPM6E00系列的两大亮点
前面有提到，HPM6E00系列产品实现了电机控制与高实时性、低延时工业以太网的完美结合，那么HPM6E00是如何实现的呢？主要是因为先楫在芯片内部集成了倍福授权的EtherCAT从站控制器以及先楫自身的运动控制系统，这也是这款产品的两大亮点。

首先我们来看一下HPM6E00的实时以太网系统。HPM6E80/ HPM6E70都支持高性能的实时以太网系统，包括正版的EtherCAT从站控制器，一共支持3个端口，其中HPM6E80还支持一个TSN交换机，可以支持3个外部端口和一个内部端口，以及一个千兆以太网MAC控制器。

由于先楫将EtherCAT从站控制器集成在了芯片上，因此，它的PDI（Process Data Interface）集成在了芯片内部，通过高速的系统总线相连接，支持HPM6E00系列的CPU与DMA之间的通信，相比通过SPI口，或者并口来外扩的独立式的从站控制器来说，使用系统总线来连接PDI接口，可以获得更加高速的访问效率。

EtherCAT从站控制器还支持3个网络端口，因此，既可以支持使用两个端口的链式EtherCAT设备组网，也支持Y型的EtherCAT设备组网。此外，EtherCAT从站控制器支持8个FMMU、8个SyncManager、支持60KB Process Data RAM，64比特的分布式时钟。

从站控制器跟内部有一个同步信号，可以把EtherCAT的同步信号直接通过Sync信号连接到芯片的触发互联系统，允许EtherCAT的时间网络和内部的电机控制外设进行同步。

另外，因为EhterCAT从站控制器需要外扩EEPROM来存储各类EtherCAT的设备控制信息，因此，先楫的HPM6E00系列支持直接通过I2C总线来连接外部的EEPROM，或者支持通过片内的Flash去模拟EEPROM，让用户可以省掉外扩的EEPROM的存储设备。

HPM6E00系列的另外一大亮点就是其增强的运动控制系统。在运动控制方面，一是HPM6E00系列支持4个8通道增强型PWM控制器，且调制精度高达100ps。这不仅在伺服电机控制领域有广泛的应用，在数字电源领域也有广泛的应用前景。

二是集成了精确的位置系统，包括各类运动控制的编码器接口，比如支持了4套SEI串行编码器接口，这是一个可编程的编码器接口。据悉，用户在应用过程中，由于伺服驱动器往往需要进行精确的位置感应，因此，需要对接各类绝对式的位置传感器接口，这些位置传感器往往会来自不同的厂家，而在市场上流行着非常多的不同厂家，不同制式，不同协议的通信类绝对式编码器。针对此种情况，先楫专门设计了这个可编程的SEI编码器接口模块，可以实现用户只需要简单配置软件，就可以适配市面上各类的，各个厂家的位置传感器，包括多摩川协议、BiSS-C协议、以及EnDat 2.2协议等，由于它是可编程结构，因此用户也可以实现自定义的编码器接口。

三是芯片上集成了正交式、脉冲式编码器输入，包括4套正交输入模块QEIv2，不但可以支持ADC格式的脉冲式位置传感器输入，也可以接收脉冲型伺服系统当中常见的正脉冲和负脉冲，以及脉冲+方向脉冲型位置接口。同样还支持4套正交式脉冲型位置传感器输出系统QEO，因此在单芯片上，直接实现从正交型的输入到输出，直接进行脉冲分频的系统。

四是支持旋变解码模块RDC和磁编码器接口，可以支持旋变解码器，适用于高温高压等复杂的电磁场景应用。

五是芯片还支持硬件环路控制系统，包括一个硬件坐标变换器VSC、可以支持硬件的Clark和Park变换，还有一个环路计算器CLC，支持最多到3阶，就是2阶再串联1阶这样的硬件环路控制。

HPM6E00生态支持
MCU从来都不仅仅只是提供一款产品就足够了，还需要生态的支持，先楫在这方面也做了相当多的工作，与HPM6E00系列MCU配套的开发套件和SDK也都已经同步更新。其中，HPM6E00开发板现已在先楫半导体官网正式开售，售价￥498。

HPM6E00EVK提供双百兆网口，实现ESC功能，RGMII千兆网口，CAN接口，音频接口，sigma-detal 转换接口，HS USB接口以及标准的电机接口可以适配先楫的电机驱动板。同时HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽，方便用户实现各类总线接口，并默认提供FEMC/PPI子板，可以实现SDRAM和并口的ADC采样功能。此外，还提供树莓派接口以及板载的调试接口可以方便用户进行调试，同时也提供标准的JTAG接口供用户选择。

另外，SDK也已经更新到了最新的hpm_sdk v1.6.0版本，新版SDK已经全面适配HPM6E00系列。针对EtherCAT相应的软件开发方面，先楫做了EtherCAT从栈软件适配。支持ESM的状态机、CAN over EtherCAT，也支持同步模式、Free Run、Sync Manager同步，以及DC分布式时钟的同步，另外，在SDK内部还提供了EtherCAT I/O的例程。据费振东透露，更加丰富的EtherCAT相关的软件例程也在开发当中。

值得注意的是，SDK的最新版本当中，还提供了全套的电机控制系统外设的驱动，包括PWM、QEI、QEO、SEI、RDC等，都有完整的驱动和例程。还有，Hpm pinmux tool，也就是在线引脚编辑工具也已经提供了在线版本。可以访问网站直接使用在线引脚分配工具。

费振东强调，先楫的SDK全套代码都已免费开源，目前最新版本已经推送到了国内和国际的代码仓库，包括GitHub和Gitee。

费振东最后总结说，先楫的目标是希望能够为客户提供一整套的解决方案，此次先楫推出的HPM6E00系列，支持的引脚范围是196pin和289pin，未来会推出更多不同规格的产品来满足客户不同应用场景的需求。

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