【導讀】提到工業、儲能和機器人領域，EtherCAT一定是一個繞不開的話題。據HMS Networks 數據，2025年全球工業網絡EtherCAT在新接入節點中的占比達到17%，較2024年的16%繼續保持增長。
2026年慕尼黑上海電子展上，納芯微推出全新的NS800RTA7系列產品，該系列產品不僅片內原生集成德國官方授權EtherCAT ESC從站控制器，同時首次集成自研第二代eMATH數字運算加速器并繼續集成CLB可配置邏輯模塊。
“EtherCAT已經成為頭部客戶量產設備的標準化通信方案，落地確定性高，有大批量終端客戶明確需求，所以我們在此次優先布局片內集成EtherCAT的MCU產品。”納芯微MCU市場總監宋昆鵬向EEWorld說道。
為什么大家都在關注EtherCAT
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種基于以太網的現場總線技術，由德國倍福自動化有限公司在 2003 年首次提出，并成立EtherCAT技術協會（ETG）。ETG 是目前全球最大的現場總線用戶組織，擁有來自67個國家的6000多家會員單位。
在EtherCAT誕生之前，工業界急需一種高速、高效且低成本的通信解決方案，EtherCAT憑借其突破傳統以太網在工業自動化應用局限的特點，迅速獲得關注。它的最大特點是數據傳輸速度極快，能夠實現納秒級的同步精度。
EtherCAT僅使用了物理層、鏈路層、應用層三層協議，與多數傳統的現場總線相同，但相比于其它實時以太網協議，如PROFINET、EtherNet/IP等，其協議棧更加精簡。因此它具備超高速的數據傳輸能力，能夠在極短時間內完成大量數據的交換，滿足機器人實時控制需求。這剛好與納芯微MCU實時控制的定位不謀而合。
當下，之所以EtherCAT表現出統治力，一是因為獨有的On-the-Fly/Processing on the Fly?（飛行處理）特性，它不基于IP協議，是其高性能的核心設計，允許從站在不存儲完整報文的情況下，直接讀取或寫入數據實現微秒級實時通信了；二是開放，幾乎無限數量的節點可以組成線型、樹型、星型拓撲及任何拓撲的組合，是迄今為止在市場上擁有廠商和設備種類最多的工業以太網技術之一；三是簡單耐用低成本，EtherCAT可以自動配置地址，而無需手動配置。
具體來看，與傳統以太網協議不同，EtherCAT數據幀無需存儲轉發，從站設備在數據經過時直接讀取或寫入數據段，單幀處理延遲僅為1μs。技術實現主要包括：
分布式時鐘同步：基于主從站時鐘偏移補償算法，實現全網絡節點時間同步誤差低于100 ns（遵循IEEE 1588增強標準）；
數據幀結構優化：采用8字節緊湊型幀頭，數據負載率可達98%（高于PROFINET的60%），顯著提升帶寬利用率。
正因種種優勢，最近幾年，國內MCU廠商都很關注EtherCAT，不斷推出集成倍福官方授權EtherCAT從站控制器（ESC, EtherCAT Slave Controller）的產品。而現在，納芯微也加入到了這項技術的競爭之中。對于EtherCAT，納芯微有著自己的理解。
納芯微算力最高的實時控制MCU
隨著此次全新NS800RTA7系列發布，納芯微在實時控制MCU賽道的布局縱深越來越深。宋昆鵬回顧，2024年11月，納芯微正式推出首款NS800RT5系列實時控制MCU。不到一年半時間，公司完成NS800RT1、RT3、RT5、RT7四大實時控制MCU產品系列布局。今年慕展，NS800RTA7的加入，使得納芯微實時控制MCU產品線擴展至五大系列、九十余款標準化型號。
NS800RTA7系列是目前公司發布的算力最高的實時控制MCU，包括NS800RTA7P65DE、NS800RTA7P66DE、NS800RTA7P66TE三款產品，三款產品共享完全一致的外設硬件資源，每款均提供三種不同封裝版本，合計擁有九款細分物料型號。
為什么要發布這樣的新產品
宋昆鵬解釋道，過往推出的 RT1、RT3、RT5、RT7系列MCU已能夠覆蓋現有大部分控制需求，而隨著行業技術迭代，終端設備現在衍生出了多項全新的硬性需求：
第一，設備內部運動控制算法復雜程度持續提升；第二，整機需要同步執行多任務協同運算調度；第三，設備間對高速低延遲實時工業通信存在剛需；第四，工業機器人普及之后多軸電機同步控制、多軸伺服聯動需求爆發，并且多軸設備對于軸與軸之間的同步控制精度要求極高；第五，各類控制設備對于模擬信號高精度采樣需求持續上漲，同時整機結構設計追求極致小型化；第六，儲能、大功率電力電子這類高價設備對芯片運行可靠性、功能安全等級要求大幅提升。
基于此，納芯微針對性為NS800RTA7系列賦予了全新硬件功能特性，分別是多核并行運算架構、片內原生集成德國官方授權EtherCAT ESC從站控制器、提供多款小尺寸緊湊型BGA封裝、內置全套對稱與非對稱硬件加密安全引擎。
NS800RTA7系列芯片核心適配的應用場景包含機器人、大型工商業儲能系統、通用伺服驅動器幾大類設備。當然，得益于強大性能和配置，產品適配場景并不局限于此。
NS800RTA7系列的硬件配置
內核方面，NS800RTA7系列最多集成三個同構Cortex-M7處理器，每個內核均配備納芯微第二代自研eMATH數字運算加速器，支持硬件浮點運算單元（FPU）及獨立緊耦合存儲器（TCM）。值得注意的是，eMath是納芯微拉開市面Arm MCU差距的關鍵單元，相比第一代eMATH，第二代eMATH整體運算性能提升接近一倍。
存儲方面，最高集成1.8MB片上eFlash，是目前納芯微MCU產品中Flash容量最大的型號，同時配備864KB SRAM，其中608KB為三個內核獨立配置的TCM。
模擬方面，芯片內置四個獨立ADC信號采集模組，最高支持55路模擬輸入通道，單個ADC模組最多能夠配置32路SOC硬件觸發事件，可滿足碳化硅、氮化鎵等高頻電力電子系統的多路同步采樣需求。
接口方面，除片內集成EtherCAT控制器外，芯片還支持USB、FSI高速工業通信接口，并提供CAN FD、LIN、SPI、I2C等通用總線接口。
安全方面，芯片集成完整的硬件加密模塊，工規產品硬件架構符合IEC 61508 SIL2工業功能安全標準，車規產品將支持ISO 26262 ASIL B認證。此前量產的RT5系列已經獲得相應功能安全認證，RTA7車規產品也將隨著量產完成認證。
信息安全方面，NS800RTA7首次在實時控制MCU中集成非對稱硬件加密引擎，在保留AES、SHA、TRNG等安全模塊基礎上，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存儲糾錯機制，可自動檢測并修復存儲錯誤，進一步提升關鍵控制數據的可靠性。
封裝方面，NS800RTA7系列提供9mm×9mm BGA169和13mm×13mm BGA256兩種緊湊型BGA封裝，同時保留HLQFP176等傳統封裝，以滿足不同產品設計需求。
生態方面，NS800RTA7兼容Keil MDK和IAR EWARM兩大主流開發工具，支持納芯微自研NovoStudio開發平臺。公司還將推出NovoMonitor實時調試工具，并配套NovoClbConfig圖形化CLB配置軟件，同時提供評估板、硬件仿真器以及完整SDK。
操作系統方面，納芯微已成為RT-Thread高級會員，完成NS800RT7及RTA7全系列產品對RT-Thread的完整移植，支持FreeRTOS和uC/OS-II等主流實時操作系統，為多核、多任務開發提供完整的軟件支持。
值得關注的是，同系列不同內核配置產品均保持引腳兼容，方便客戶在同一PCB平臺上實現不同性能產品的快速升級。
四大核心技術解析
第一大核心創新點是NS800RTA7P65DE、NS800RTA7P66DE、NS800RTA7P66TE提供三種內核配置。三款芯片采用統一外設資源，區別主要在于內核數量、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。
這樣設計是為了應付不同的應用場景。比如，大小核400MHz+200MHz在單軸伺服應用中，高主頻400MHz內核可專門負責電流環控制，而200MHz內核負責EtherCAT通信、速度環和位置環控制；雙400MHz方案適用于雙軸伺服，每顆內核分別承擔一套完整電機控制任務；三核方案能夠支撐六軸工業機器人伺服系統，其中兩顆400MHz內核分別負責六軸電流環計算，200MHz內核統一負責EtherCAT通信及全部速度環、位置環運算。
由此來看，通過分配一顆獨立處理器專門承擔EtherCAT通信任務，并為其配置獨立TCM存儲器和第二代eMATH加速器，使通信與控制任務能夠徹底分離，進一步提升軟件架構的靈活性，一套硬件平臺即可滿足當前以及未來數年的算力升級需求，客戶無需頻繁更換硬件平臺即可完成產品迭代。
“市面上多數廠商會選擇異構多核架構，會對客戶任務分配造成諸多限制，我們放棄異構方案選擇同構方案，是為了給客戶提供高度靈活的平臺化開發空間，我們此前通過NS800RT1系列產品將工業實時MCU硬件成本下探至5元級別，在算力普惠、成本控制層面具備充足的技術與供應鏈底氣。”宋昆鵬如是說。
第二大核心創新點是片內集成經過德國官方授權的EtherCAT ESC從站控制器。ESC運行過程中幾乎無需MCU參與數據交互，實現MCU零負載運行；內置獨立16KB專用RAM，不占用MCU自身864KB SRAM資源；同時硬件原生完整支持FMMU內存管理單元，PDO過程數據映射配置高度靈活。
反觀傳統伺服控制方案通常采用MCU外掛獨立ESC芯片，兩者通過SPI通信，不僅增加通信延遲和整機失效率，也增加BOM成本和PCB面積。
納芯微已完成芯片的長時間壓力測試，并向首批客戶提供工程樣片。在50μs超短通信周期下，系統能夠穩定運行；在125μs標準通信周期下，MCU整體運算負載僅約2%；多節點時鐘同步抖動數值小于30ns，可滿足多軸伺服系統納秒級同步控制需求。
第三大核心創新點是升級到第二代eMATH數字運算加速器，其執行單精度Sin、Cos、開方浮點運算，運算速度對比Arm內核純軟件運算分別提升六倍、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、儲能、機器人等應用的大多數控制算法。
納芯微在電機FOC控制測試中發現，搭載400MHz Cortex-M7及第二代eMATH的芯片，與市場600MHz通用MCU完成同樣電流環算法所需時間基本相同，以較低主頻獲得同等級控制性能。這一套FOC電流環算法包括Clarke變換、Park變換、反Park變換以及PID控制，僅需132個CPU周期，總耗時約330ns。
第四大核心創新點是首次集成CLB（Configurable Logic Block）可配置邏輯模塊，可直接實現編碼器解碼等邏輯功能，能夠直接省去整機板卡外掛小型 FPGA、CPLD芯片，降低整機物料成本與PCB面積。
此外，通過配套專屬NovoClbConfig圖形化配置工具完成配置，開發人員無需掌握Verilog語言即可完成邏輯開發，同時還可應用于光伏逆變器三電平控制等場景，進一步降低系統成本和PCB面積。
對未來市場的展望
對于未來集成EtherCAT實時控制MCU市場的競爭，宋昆鵬認為，目前行業仍處于發展初期，各家廠商都會陸續推出類似產品，整體呈現百花齊放的競爭格局。隨著工業機器人、儲能設備等終端市場逐漸向頭部企業集中，芯片供應商也將經歷新一輪整合。
長期來看，以機器人市場舉例，該市場競爭將可能發展成類似于汽車MCU市場，最終比拼的將是完整的產品矩陣、針對細分行業的定制能力以及持續的軟件生態建設。
談及未來產品路線，宋昆鵬介紹，隨著工業終端對于算力和集成度需求不斷提升，納芯微未來研發將分兩個階段推進：第一階段持續完善標準化通用實時控制MCU產品平臺，構建完整產品矩陣；第二階段則面向機器人、光伏逆變器、儲能PCS等細分行業推出更加針對專用的芯片。
他表示，國內不少客戶在整機終端已經全球領先，納芯微將與這些客戶保持深度協同，共同推進芯片架構持續迭代，并同步拓展海外工業客戶合作，加快產品國際化布局。
當下很多廠商都在不斷提升MCU的AI性能，對此，宋昆鵬透露，公司計劃于2026年底推出具有AI能力的新一代實時控制MCU。
展望未來，納芯微還將持續加大實時控制MCU的研發投入，重點布局工業控制、數字能源、汽車電子等領域。
