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工业MCU,开始卷连接

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工业一直是MCU厂商竞争的重要阵地,而工业连接能力,正变得越来越重要。

根据Omdia的分析,AI与边缘处理技术正在加速融入工业自动化。制造商希望通过连接更多设备,获取实时运行数据,提升生产效率和运营管理能力。但现实中,仍有不少工业边缘设备处于孤立状态,或者依赖RS-232、RS-485等传统接口进行通信。这些连接方式并非不能满足工业需求,但在数据实时性、设备协同和网络扩展方面,也面临新的挑战。

随着工业自动化对实时通信的要求不断提高,MCU厂商开始在工业连接领域加码。

10BASE-T1S:加速渗透工业MCU

10BASE-T1S(单对以太网短距离)当前在汽车领域发展速度很快,这项技术其实也在快速向工业领域推进。

NXP在8月推出MCX A5系列MCU,是NXP首款在有线MCU上实现拓扑发现功能的产品,配备10BASE-T1S以太网数字PHY,同时采用后量子加密(PQC)提供安全防护。适用于工业自动化、楼宇控制、电力能源等应用。

在工业通信方面,MCX A5集成10/100Mbps以太网MAC,并在部分型号中配备10BASE-T1S PHY,支持高速USB、双路CAN FD、eSPI、最高4路I3C、5路LPI2C、6路LPSPI和6路LPUART。其中,10BASE-T1S是一种面向单对双绞线的以太网物理层技术,可用于连接工业边缘设备。结合相应的拓扑发现功能,开发人员能够更方便地识别网络中的设备及其连接关系,简化工业网络的部署和管理。

配置方面,采用最高主频240MHz的Arm Cortex-M33内核,支持浮点运算、数字信号处理、内存保护单元、TrustZone。集成最高2MB双区Flash和640KB SRAM,其中部分RAM支持ECC错误校验与纠正功能。双区Flash支持读写并行操作,有助于提升固件更新期间的系统运行灵活性。


值得注意的是,NXP在2月推出业界首款量产型10BASE-T1S物理介质相关(PMD)收发器:面向汽车行业的TJA1410和面向工业及楼宇自动化的TJF1410。根据NXP的说法, 新的收发器简易性堪比CAN(类CAN)。

PMD收发器将传统的以太网PHY分为两部分,使得数字部分可以集成到主机MCU或交换机中,而PMD则负责在物理介质上发送和接收信号所需的关键模拟功能。也就是说,MCX A5系列与TJF1410 10BASE-T1S PMD收发器搭配使用,TJF1410作为MCX A5集成数字PHY的模拟前端,可构成完整的单对以太网(SPE)解决方案。

EtherCAT:开始卷入高性能MCU

瑞萨前两天推出了很有意思的产品——RX74M和RX74N。其中,RX74M支持EtherCAT、TSN千兆以太网、CAN FD;RX74N则支持千兆以太网、CAN FD。

最有意思的是,这是瑞萨首次在RX家族中采用22nm工艺,搭载MRAM,同时也采用后量子加密(PQC)提供安全防护。从2025年开始,瑞萨就在在RA系列中采用“22nm ULL+MRAM”,采用这个组合的产品主要有RA8P1、RA8D2、RA8M2。

RA是Renesas Advanced的缩写,RX系列则源自Renesas Xtreme。两个产线都强调高性能,不过RA基于Arm的Cortex-M核,强调安全性、连接能力和智能物联网应用;RX则是采用瑞萨自主开发的CPU内核,主打性能与能效,面向工业控制、电机控制、家电和消费电子等领域,这一系列已经诞生16年了。瑞萨把这一套组合也搬到了RX家族中,可见工业领域的野心。


回到RX74M这颗MCU,通信接口是一大特点。该系列集成双端口EtherCAT从站控制器、两个千兆以太网MAC单元,支持TSN的双端口以太网交换模块,可用于工业网络与实时控制系统。其他接口包括三个CAN FD模块、两个最高支持3.4Mbps的I²C接口、一个最高支持12Mbps SDR模式的I3C接口、USB 2.0、SD/MMC主机接口,以及支持I²S等音频格式的串行音频接口。两个XSPI接口支持最高266MT/s的数据传输速率,并可在控制器与从机模式之间切换。

这意味着,单颗MCU即可支持EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP等主流工业网络,并通过TSN实现确定性通信,还能支持EtherNet/IP DLR设备级环网等冗余网络配置。

内核上也很有看点,采用32位RXv3e CPU内核的高性能MCU,最高工作频率为600MHz,CoreMark性能达到3604分,并集成64位双精度浮点运算单元和三角函数运算单元,可用于对实时计算和数值运算能力要求较高的应用。

存储方面,RX74M系列最高集成1MB代码MRAM,支持双Bank结构,可在两个启动存储区之间切换;片上SRAM容量为1.5MB,并支持ECC纠错功能。此外,该系列还配备48KB数据MRAM,以及128KB用户扩展MRAM,可用于存储启动程序和用户数据。代码MRAM支持后台编程,读取频率最高可达100MHz;SRAM读取频率最高可达150MHz。


纳芯微在今年7月,也推出了高算力的EtherCAT实时控制MCU。纳芯微MCU市场总监宋昆鹏向EEWorld介绍,NS800RTA7系列是目前公司发布的算力最高的实时控制MCU,包括NS800RTA7P65DE、NS800RTA7P66DE、NS800RTA7P66TE三款产品,三款产品共享完全一致的外设硬件资源,每款均提供三种不同封装版本,合计拥有九款细分物料型号。如下:


纳芯微NS800RTA7系列通信方面,芯片集成EtherCAT控制器,并支持USB、FSI、CAN FD、LIN、SPI和I²C等接口。

配置方面,最多集成三个Cortex-M7内核,每个内核均配备第二代自研eMATH数字运算加速器,支持FPU和独立TCM。相比第一代,第二代eMATH整体运算性能提升近一倍;最高集成1.8MB eFlash和864KB SRAM,其中608KB为三个内核独立配置的TCM;芯片内置四个独立ADC模组,最多支持55路模拟输入,可满足SiC、GaN等高频电力电子系统的多路同步采样需求。


宋昆鹏向EEWorld表示,“EtherCAT已经成为头部客户量产设备的标准化通信方案,落地确定性高,有大批量终端客户明确需求,所以我们在此次优先布局片内集成EtherCAT的MCU产品。”

据HMS Networks 数据,2025年全球工业网络EtherCAT在新接入节点中的占比达到17%,较2024年的16%继续保持增长。

HART:工业精密传感也需要缩小体积

4-20mA虽然是很传统的连接技术,但它却是过程自动化监测中常用的传感器信号传输方式,可用于传输温度、压力等测量信息。

之所以如此,是因为4-20 mA满足本安要求,适用于石油、化工、煤矿等防爆和功能安全要求的场合,其次是因为4-20 mA支持长距离通讯,可达300至500米,流程工厂规模庞大,如金山石化一个工厂即如一座城镇,布线上百米乃至上公里都很常见,传统以太网难以部署。

HART协议是对传统4-20 mA 仪表系统的一种向后兼容的增强方案,能够与基于微处理器的智能现场设备进行双向通信。HART信号叠加在4–20 mA电流环上,通过调制实现双向数字通信。HART协议还可用于执行标准化操作,例如测试电流环、设置电流环的测量范围,以及获取变送器的校准信息。传统4–20 mA系统仅通过电流值传输主要测量变量,而HART在此基础上增加了数字通信能力,从而扩展了系统的功能。


ADI在2025年发布并开售一个集成度非常高的MCU——MAX32675C。它采用高集成度混合信号设计,集成精密模拟前端(AFE)和HART调制解调器,可处理1200 Hz和2200 Hz的FSK信号,面向4–20 mA回路供电传感器和变送器,可用于工业及医疗领域的压力、温度和流量测量。

模拟信号处理是这颗MCU的亮点,MAX32675C集成了低功耗HART调制解调器,可通过电流环与工业传感器进行双向数字通信,实现设备配置和故障诊断。其模拟前端(AFE)包含两路12通道Σ-Δ ADC,提供12路可分配至任意一路ADC的模拟输入通道,并支持灵活配置转换分辨率和采样率。在24位分辨率下,采样率最高可达0.4 ksps。每路ADC前端均配备可编程增益放大器(PGA),增益范围为1至128倍,可用于采集外部模拟信号及系统温度等参数。此外,芯片还集成了12位数模转换器(DAC)和内部参考电压源。ADC 转换结果可以实时从整数格式转换为单精度浮点格式,以便后续处理。

配置方面,采用主频为12 MHz的Arm Cortex-M4内核,配备浮点运算单元(FPU);集成384 KB闪存,其中376 KB可供用户使用,以及160 KB SRAM。在启用纠错码(ECC)时,可用SRAM容量为128 KB;ECC覆盖全部闪存、SRAM和高速缓存,支持单比特错误纠正和双比特错误检测(SEC-DED),以提高关键代码执行的可靠性;支持低功耗模式下的数据保留,备份模式下的全存储器保持电流典型值为375 μA;在环境温度为85°C时,工作电流不超过2.1 mA,启动电流典型值为1.02 mA,适合对功耗有严格要求的4–20 mA 电流环应用。



根据ADI的介绍,集成式变送器MAX12900与MAX32675C的组合能够缩小4–20 mA智能变送器的体积,同时支持多种传感器类型,提高系统设计的灵活性和可靠性。


PRU-ICSS:给通信做个子系统

TI的思路完全不一样,它给通信直接做了个子系统——PRU-ICSS(可编程实时单元工业通信子系统),为工业以太网和现场总线提供灵活的通信支持。该子系统结合可编程实时核(PRU)与以太网介质访问控制器(EMAC),底层协议功能由固件实现,上层协议栈则运行在Arm内核上。这种设计既能适配不同工业协议,也能释放Arm内核资源,使其专注于控制和数据处理。

2011年,TI在AM335x系列处理器中引入PRU-ICSS,为工业通信提供了新的实现方式。此后,PRU逐步发展出PRU-ICSS、PRU-ICSSG等架构,可通过编程支持EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT等工业协议。相比完全依赖主CPU处理通信任务,这种设计能让PRU专注于实时通信,主CPU则负责控制和数据处理,也便于后续适配新的协议。


TI新推出的AM243x是基于四核Arm Cortex-R5F的MCU就集成了PRU-ICSSG,可支持千兆以太网TSN、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等多种工业通信协议。此外,PRU-ICSSG还支持芯片内部的其他接口功能,包括Σ-Δ抽取滤波器模块和绝对值编码器接口。

此外,AM243x通过高性能Cortex-R5F内核、紧耦合存储器(TCM)、可配置的SRAM分区,以及外设之间的低延迟数据通路,实现实时处理。其架构能够快速完成片上数据传输,满足伺服驱动器等系统对控制周期的严格要求。此外,FSI、GPMC、PWM、Σ-Δ抽取滤波器和绝对值编码器接口等外设,也为这类工业系统提供了多种架构选择。

AM243x还支持功能安全设计。其MCU域集成了Cortex-M4F内核及专用外设,这些资源既可以与SoC其他部分共享,也可以相互隔离,以满足不同的安全设计需求。AM243x同时支持安全启动(Secure Boot)。


总结

工业连接不只是增加几个通信接口。MCU厂商还在提升实时通信能力、整合模拟信号处理,并让芯片适应不同的工业网络标准。随着工业设备联网和实时控制需求增长,通信功能与控制、计算能力的结合,也将成为工业MCU竞争的重要方向。

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