半導(dǎo)體業(yè)界在幾年前提出了跨界MCU的概念,就是在保持傳統(tǒng)MCU高實(shí)時(shí)性和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)之上,在算力、圖像處理、通信速度,以及控制能力上進(jìn)一步提升,以滿足市場(chǎng)對(duì)MCU性能增長(zhǎng)的需求。
正是因?yàn)镸CU的這種變化,不斷擴(kuò)大了傳統(tǒng)MCU的應(yīng)用范圍,同時(shí)以前需要使用DSP,SoC,甚至FPGA的應(yīng)用場(chǎng)景,開(kāi)始出現(xiàn)了MCU的身影,特別是一些工業(yè)和電機(jī)控制應(yīng)用場(chǎng)景。在過(guò)去幾年,不論是國(guó)際MCU廠商,還是國(guó)內(nèi)MCU廠商在跨界MCU方面有所投入,包括新產(chǎn)品和相關(guān)生態(tài),先楫半導(dǎo)體就是其中之一。
不久前,先楫半導(dǎo)體率先推出了一款專為工業(yè)以太網(wǎng)和電機(jī)控制而生的跨界MCU產(chǎn)品HPM6E00系列。該系列MCU集成了德國(guó)倍福公司(Beckhoff)正式授權(quán)的EterhCAT 從站控制器 (ESC: EtherCAT Slave Controller)、高性能RISC-V內(nèi)核CPU,以及豐富的運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)。
圖:先楫半導(dǎo)體新推出的HPM6E00系列MCU(來(lái)源:先楫半導(dǎo)體)
先楫半導(dǎo)體董事長(zhǎng)兼CEO曾勁濤表示,先楫半導(dǎo)體看到了MCU跨界發(fā)展趨勢(shì),成立之初就從高性能MCU切入,推出了第一款高性能的MCU產(chǎn)品HPM6700,隨后根據(jù)客戶的需求,依托自身的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新能力,依次推出了高性價(jià)比的HPM6300、集成精準(zhǔn)控制的HPM6200、集成運(yùn)動(dòng)控制的HPM5300、集成儀表顯示的HPM6800,以及最新的集成了ESC的HPM6E00系列。
圖:先楫半導(dǎo)體董事長(zhǎng)兼CEO曾勁濤
他同時(shí)強(qiáng)調(diào),先楫半導(dǎo)體非常重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù),HPM6E00系列是國(guó)內(nèi)首款擁有德國(guó)倍福公司正式授權(quán)的EtherCAT從站控制器的高性能MCU產(chǎn)品。
據(jù)先楫官方介紹,HPM6E00具備高性能運(yùn)動(dòng)控制、高實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的特性,提供RISC-V雙核、多達(dá)3端口千兆以太網(wǎng)路由模塊,支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN: Time-Sensitive Networking),具有32路高分辨率PWM輸出、16位ADC、Σ-?數(shù)字濾波等外設(shè)模塊。可以說(shuō),HPM6E00系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高性能MCU與高實(shí)時(shí)性、低延時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)合,能夠幫助行業(yè)客戶實(shí)現(xiàn)高性能伺服電機(jī)控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等多樣化應(yīng)用落地。
HPM6E00系列主要特性先楫半導(dǎo)體產(chǎn)品總監(jiān)費(fèi)振東在HPM6E00新品發(fā)布會(huì)上介紹,HPM6E00是先楫獲得倍福EtherCAT從站控制器授權(quán)后,將EtherCAT與其他高速以太網(wǎng),以及先楫之前成功應(yīng)用的高性能運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)結(jié)合在一起的產(chǎn)物。
HPM6E00系列主要包括四個(gè)型號(hào):HPM6E80、HPM6E70、HPM6E60及HPM6E50。其中,HPM6E80、HPM6E70是雙核版本,具有兩顆主頻高達(dá)600MHz的RISC-V內(nèi)核CPU,支持2MB的片上SRAM,包括每個(gè)內(nèi)核內(nèi)部各有256KB的ILM(指令本地存儲(chǔ)器)和256KB的DLM(數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)器)高速存儲(chǔ)器;除了支持3端口的EtherCAT從站控制器之外,還具有一個(gè)千兆以太網(wǎng)交換機(jī),其中HPM6E80支持TSN特性,HPM6E70不支持。具有32通道的PWM模塊、2套硬件環(huán)路控制系統(tǒng)、4套精確位置系統(tǒng)等
HPM6E60與HPM6E50則是單核版本,具有一顆主頻高達(dá)600MHz的RISC-V內(nèi)核。其中HPM6E50配置最為精簡(jiǎn),性價(jià)比最高。它具有1MB的片上SRAM,支持2端口EtherCAT從站控制器,不支持TSN以太網(wǎng)交換機(jī),PWM方面支持32通道,但硬件環(huán)路控制系統(tǒng)僅有1套,且精確位置系統(tǒng)也縮減到了2套,因此可以支持2軸伺服電機(jī)控制。
圖:HPM6E00系列產(chǎn)品內(nèi)部系統(tǒng)框圖(來(lái)源:先楫半導(dǎo)體)
整個(gè)HPM6E00系列,包括HPM6E80和HPM6E70都支持4個(gè)16位的片上SAR逐次逼近型ADC,轉(zhuǎn)換率可達(dá)2MSPS。支持Σ-Δ數(shù)字濾波,總共支持2個(gè)4通道Σ-Δ數(shù)字濾波器,因此,它可以采集總共8通道的模擬量。HPM6E50則支持總共4通道Σ-Δ數(shù)字濾波器,支持4個(gè)模擬量的采集;支持3個(gè)16位的2MSPS采樣ADC。
具有1 個(gè)內(nèi)置 PHY 的高速 USB,多達(dá) 8路 CAN/CAN-FD 接口、17個(gè)UART串口、8個(gè)SPI和8個(gè)I2C接口。
外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展
支持SDRAM擴(kuò)展,及SRAM的擴(kuò)展,同時(shí)支持并口總線,可以支持包括FPGA在內(nèi)的各類外部設(shè)備。
封裝
HPM6E00系列支持兩種GBA封裝,分別是14×14mm的289Pin封裝和12×12mm的196Pin封裝。選用的球間距是0.8mm,而且相同封裝的引腳是兼容的,方便客戶方案的PCB設(shè)計(jì)。
溫度范圍
支持-40℃到105℃的寬溫度范圍,支持惡劣的應(yīng)用場(chǎng)景。
值得注意的是,HPM6E00系列已于2024年6月27日全面上市。全部型號(hào)都已經(jīng)正式量產(chǎn),可以接受客戶的量產(chǎn)訂單。HPM6E00系列的兩大亮點(diǎn)前面有提到,HPM6E00系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制與高實(shí)時(shí)性、低延時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的完美結(jié)合,那么HPM6E00是如何實(shí)現(xiàn)的呢?主要是因?yàn)橄乳?a href="http://hljzzgx.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片內(nèi)部集成了倍福授權(quán)的EtherCAT從站控制器以及先楫自身的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),這也是這款產(chǎn)品的兩大亮點(diǎn)。
首先我們來(lái)看一下HPM6E00的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)。HPM6E80/ HPM6E70都支持高性能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng),包括正版的EtherCAT從站控制器,一共支持3個(gè)端口,其中HPM6E80還支持一個(gè)TSN交換機(jī),可以支持3個(gè)外部端口和一個(gè)內(nèi)部端口,以及一個(gè)千兆以太網(wǎng)MAC控制器。
由于先楫將EtherCAT從站控制器集成在了芯片上,因此,它的PDI(Process Data Interface)集成在了芯片內(nèi)部,通過(guò)高速的系統(tǒng)總線相連接,支持HPM6E00系列的CPU與DMA之間的通信,相比通過(guò)SPI口,或者并口來(lái)外擴(kuò)的獨(dú)立式的從站控制器來(lái)說(shuō),使用系統(tǒng)總線來(lái)連接PDI接口,可以獲得更加高速的訪問(wèn)效率。
EtherCAT從站控制器還支持3個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口,因此,既可以支持使用兩個(gè)端口的鏈?zhǔn)紼therCAT設(shè)備組網(wǎng),也支持Y型的EtherCAT設(shè)備組網(wǎng)。此外,EtherCAT從站控制器支持8個(gè)FMMU、8個(gè)SyncManager、支持60KB Process Data RAM,64比特的分布式時(shí)鐘。
從站控制器跟內(nèi)部有一個(gè)同步信號(hào),可以把EtherCAT的同步信號(hào)直接通過(guò)Sync信號(hào)連接到芯片的觸發(fā)互聯(lián)系統(tǒng),允許EtherCAT的時(shí)間網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部的電機(jī)控制外設(shè)進(jìn)行同步。
另外,因?yàn)镋hterCAT從站控制器需要外擴(kuò)EEPROM來(lái)存儲(chǔ)各類EtherCAT的設(shè)備控制信息,因此,先楫的HPM6E00系列支持直接通過(guò)I2C總線來(lái)連接外部的EEPROM,或者支持通過(guò)片內(nèi)的Flash去模擬EEPROM,讓用戶可以省掉外擴(kuò)的EEPROM的存儲(chǔ)設(shè)備。
HPM6E00系列的另外一大亮點(diǎn)就是其增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在運(yùn)動(dòng)控制方面,一是HPM6E00系列支持4個(gè)8通道增強(qiáng)型PWM控制器,且調(diào)制精度高達(dá)100ps。這不僅在伺服電機(jī)控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,在數(shù)字電源領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。
二是集成了精確的位置系統(tǒng),包括各類運(yùn)動(dòng)控制的編碼器接口,比如支持了4套SEI串行編碼器接口,這是一個(gè)可編程的編碼器接口。據(jù)悉,用戶在應(yīng)用過(guò)程中,由于伺服驅(qū)動(dòng)器往往需要進(jìn)行精確的位置感應(yīng),因此,需要對(duì)接各類絕對(duì)式的位置傳感器接口,這些位置傳感器往往會(huì)來(lái)自不同的廠家,而在市場(chǎng)上流行著非常多的不同廠家,不同制式,不同協(xié)議的通信類絕對(duì)式編碼器。針對(duì)此種情況,先楫專門設(shè)計(jì)了這個(gè)可編程的SEI編碼器接口模塊,可以實(shí)現(xiàn)用戶只需要簡(jiǎn)單配置軟件,就可以適配市面上各類的,各個(gè)廠家的位置傳感器,包括多摩川協(xié)議、BiSS-C協(xié)議、以及EnDat 2.2協(xié)議等,由于它是可編程結(jié)構(gòu),因此用戶也可以實(shí)現(xiàn)自定義的編碼器接口。
三是芯片上集成了正交式、脈沖式編碼器輸入,包括4套正交輸入模塊QEIv2,不但可以支持ADC格式的脈沖式位置傳感器輸入,也可以接收脈沖型伺服系統(tǒng)當(dāng)中常見(jiàn)的正脈沖和負(fù)脈沖,以及脈沖+方向脈沖型位置接口。同樣還支持4套正交式脈沖型位置傳感器輸出系統(tǒng)QEO,因此在單芯片上,直接實(shí)現(xiàn)從正交型的輸入到輸出,直接進(jìn)行脈沖分頻的系統(tǒng)。
四是支持旋變解碼模塊RDC和磁編碼器接口,可以支持旋變解碼器,適用于高溫高壓等復(fù)雜的電磁場(chǎng)景應(yīng)用。
五是芯片還支持硬件環(huán)路控制系統(tǒng),包括一個(gè)硬件坐標(biāo)變換器VSC、可以支持硬件的Clark和Park變換,還有一個(gè)環(huán)路計(jì)算器CLC,支持最多到3階,就是2階再串聯(lián)1階這樣的硬件環(huán)路控制。
HPM6E00生態(tài)支持
MCU從來(lái)都不僅僅只是提供一款產(chǎn)品就足夠了,還需要生態(tài)的支持,先楫在這方面也做了相當(dāng)多的工作,與HPM6E00系列MCU配套的開(kāi)發(fā)套件和SDK也都已經(jīng)同步更新。其中,HPM6E00開(kāi)發(fā)板現(xiàn)已在先楫半導(dǎo)體官網(wǎng)正式開(kāi)售,售價(jià)¥498。HPM6E00EVK提供雙百兆網(wǎng)口,實(shí)現(xiàn)ESC功能,RGMII千兆網(wǎng)口,CAN接口,音頻接口,sigma-detal 轉(zhuǎn)換接口,HS USB接口以及標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)接口可以適配先楫的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。同時(shí)HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽,方便用戶實(shí)現(xiàn)各類總線接口,并默認(rèn)提供FEMC/PPI子板,可以實(shí)現(xiàn)SDRAM和并口的ADC采樣功能。此外,還提供樹(shù)莓派接口以及板載的調(diào)試接口可以方便用戶進(jìn)行調(diào)試,同時(shí)也提供標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口供用戶選擇。
另外,SDK也已經(jīng)更新到了最新的hpm_sdk v1.6.0版本,新版SDK已經(jīng)全面適配HPM6E00系列。針對(duì)EtherCAT相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)方面,先楫做了EtherCAT從棧軟件適配。支持ESM的狀態(tài)機(jī)、CAN over EtherCAT,也支持同步模式、Free Run、Sync Manager同步,以及DC分布式時(shí)鐘的同步,另外,在SDK內(nèi)部還提供了EtherCAT I/O的例程。據(jù)費(fèi)振東透露,更加豐富的EtherCAT相關(guān)的軟件例程也在開(kāi)發(fā)當(dāng)中。
值得注意的是,SDK的最新版本當(dāng)中,還提供了全套的電機(jī)控制系統(tǒng)外設(shè)的驅(qū)動(dòng),包括PWM、QEI、QEO、SEI、RDC等,都有完整的驅(qū)動(dòng)和例程。還有,Hpm pinmux tool,也就是在線引腳編輯工具也已經(jīng)提供了在線版本??梢栽L問(wèn)網(wǎng)站直接使用在線引腳分配工具。
費(fèi)振東強(qiáng)調(diào),先楫的SDK全套代碼都已免費(fèi)開(kāi)源,目前最新版本已經(jīng)推送到了國(guó)內(nèi)和國(guó)際的代碼倉(cāng)庫(kù),包括GitHub和Gitee。費(fèi)振東最后總結(jié)說(shuō),先楫的目標(biāo)是希望能夠?yàn)榭蛻籼峁┮徽椎慕鉀Q方案,此次先楫推出的HPM6E00系列,支持的引腳范圍是196pin和289pin,未來(lái)會(huì)推出更多不同規(guī)格的產(chǎn)品來(lái)滿足客戶不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
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