盟通科技基于瑞萨RZ MPU的EtherCAT主站应用方案

瑞萨电子携手盟通科技推出基于瑞萨RZ MPU的EtherCAT主站应用方案，为工业机器人、伺服驱动、PLC和自动化控制设备等应用场景提供完整易用的支持。

本次研讨会共有2部分：

1演讲内容：

瑞萨RZ MPU产品介绍

EtherCAT主站在瑞萨系列平台的应用

2Q&A

演讲内容分享

RZ家族产品阵容：

一个平台直接支持多种工业以太网通讯协议，如EtherCAT，Profinet，EtherNet I/P，TSN等。同时，内置充足的定时器，ADC，Delta-Sigma I/F，编码器等外设外设可实现多轴的电机驱动，单颗芯片完成伺服控制的全部功能。

RZ/T2H，RZ/N2H，多核异构，驱控一体的工业MPU平台：

内置多达4个Cortex-A55@1.2GHz内核，搭载Linux系统，轻松完成系统级任务。

同时配备2个Cortex-R52内核和丰富的电机外设，多种编码器协议接口，可实现8轴电机控制。

内置4路千兆网口，3x MAC，TSN，实现多协议工业以太网通讯。

另外，瑞萨还提供丰富的通用型MPU系列RZ/G，其中RZ/G2以其高性能，高可靠性，超长期支持等特点，在众多市场中得到广泛的应用。

今年更是基于新的工艺节点开发出RZ/G3平台，内置多达4个Cortex-A55@1.8GHz，以满足HMI，工业网关市场对高性能MPU的需求。

除硬件以外，瑞萨电子创新性地提供多操作系统解决方案，在一个系统中实现丰富的HMI和实时操作。

最后，瑞萨电子还介绍了针对视觉AI的产品家族RZ/V系列，人工智能算力从0.5TOPS到8TOPS，从高中低端覆盖边缘视觉AI的应用。

关于北京盟通科技

北京盟通科技是一家专注于实时现场总线技术及工业通讯技术的高新技术企业。盟通科技是德国Unified Automation公司、德国acontis technologies公司、德国Dina Elektronik公司在中国区域的唯一授权合作伙伴，是瑞典HMS工业网络有限公司FSoE协议软件（Ixxat@品牌）、CANopen协议栈（emotas）等产品的正式授权分销商，从源头上为客户提供优质的产品和技术服务。

本次盟通科技展示了基于瑞萨RZ/G2L Remi Pi的EtherCAT商业主站协议，由Acontis所研发的EC-Master软件。

EC-Master的基本功能

支持瑞萨的MPU平台：

研讨会问答部分精选

Q

RZ MPU支持自动降频吗？多核如何进行通信的？

A

RZ T/N不支持自动降频，CPU工作频率需要在启动时通过时钟配置；内核之间通过共享内存，核间中断等方式通信。

Q

中断响应演示大概最大多少？

A

100ns左右。

Q

编码器接口支持哪些具体协议？接口兼容性和适配性如何？

A

支持A-format，EnDat，Biss，Hiperface DSL，FA-Coder。

Q

双核启动有先后顺序吗？

A

有，必须从CPU_0启动。

Q

中断响应演示大概最大多少？

A

100ns左右。

Q

N2L支持RT-Thread等实时操作系统吗？

A

支持，RTT也发布了基于N2L平台的测试硬件和SDK。

Q

支持的工业协议需要注册吗？还是可以直接用，需要认证吗？

A

几大主要协议：ECAT，PN，EIP Renesas都是开源提供，可以直接使用；认证，基于协议方的要求，是强制的。

Q

T2M如何解决多协议共存时的互操作性问题？

A

T2M并不支持多协议真正的同时运行，而是同一个硬件平台可以支持多种协议。

Q

T2H的核间通信是否支持硬件加速？

A

核间通信的底层就是硬件支持，共享内存和核间中断。

Q

多核的外设每一个核都可以访问吧？如何防止冲突？

A

是的，可以访问，一般来说建议客户在系统规划阶段做好分配，确认好只能某一个核访问的外设资源，在架构层次防止冲突；芯片内部有总线仲裁机制，通过总线仲裁来保证访问，但是不能解决冲突。

Q

T2H/N2H支持Linux与FreeRTOS双系统并行运行？

A

可以，T2H/N2H可以CA55跑Linux，CR52跑FreeRTOS，也可以CA55_0/1跑Linux其他CA55裸跑或者FreeRTOS（软件并不Ready，需要从其他平台移植）。

Q

RZ除了主站也支持从站吗？

A

RZ/T2M，N2L，T2L：本身就是支持从站的平台；

T2H/N2H：可以在CR52端支持从站。

Q

EtherCAT主站软件是否支持SIL3？如何实现安全启动与加密通信？

A

1.EtherCAT主站软件是否支持SIL3？

支持。EtherCAT协议本身通过一个名为Safety over EtherCAT（FSoE）的协议来支持功能安全，并且可以达到IEC 61784-3标准中定义的SIL3（Safety Integrity Level 3）安全等级。

FSoE（FailSafe over EtherCAT）：

这是一种在标准EtherCAT通信协议之上运行的安全协议。它并不改变EtherCAT的实时机制，而是在标准的EtherCAT报文中嵌入一个“安全容器”，用于传输安全相关的数据。

黑色通道原理：

FSoE的设计理念是“黑色通道”。这意味着它将底层的通信系统（无论是EtherCAT还是其他网络）视为一个不可靠的通道。安全性的保证完全由FSoE协议本身负责，与底层通信是否加密或是否绝对可靠无关。

如何实现SIL3：

FSoE通过在每个安全周期中传输安全帧校验、连接ID和看门狗时间等信息，并持续监控这些状态，来确保安全数据的完整性、实时性和正确性。如果检测到任何错误（如数据丢失、延迟或校验失败），系统会立即进入安全状态。这种机制经过了TÜV（德国技术监督协会）的认证，符合IEC 61508标准，能够满足SIL3的要求。

2.如何实现安全启动？

“安全启动”在工业领域通常指确保系统（特别是设备上的控制器）在启动时加载的是经过验证的、未被篡改的软件和固件。这是一个比通信安全更底层的硬件/操作系统级别的安全措施。

EtherCAT协议本身并不直接规定安全启动的实现方式，但一个完整的EtherCAT主站系统（尤其是运行在嵌入式Linux或专用硬件上）可以通过以下方式实现安全启动：

硬件级信任根：

在处理器或SoC中集成一个不可篡改的信任根，例如支持TPM（Trusted Platform Module）芯片或处理器内置的RoT（Root of Trust）。

系统上电时，首先由这个硬件信任根验证引导加载程序（Bootloader）的数字签名。

链式验证：

被验证的Bootloader再验证操作系统内核的签名。

操作系统内核再验证其上运行的应用程序（如EtherCAT主站软件）的签名。

这个过程就像一个链条，每一环都验证下一环的合法性，确保整个软件栈都是可信的。

安全固件更新：

提供一个安全的机制来更新固件和软件，确保更新包本身是经过签名的，并且更新过程是原子性的（要么完全成功，要么失败回滚到旧版本），防止更新过程中被篡改或因断电等原因导致设备变砖。

Q

如何满足QoS要求？

A

取决与多方面因素，包括现场的线缆质量、电磁干扰等多方面原因。EC-Master是一个软件通讯，可以保证通讯层的可靠性和低延时。

Q

网络延时大吗？平均实时性能能达到多少？

A

EtherCAT是实时的现场总线，其网络延时在纳秒级。实时性能实测在RZ/G2L中可以实现1ms周期控制数个电机正常工作。

Q

EC-Master支持的最大独立网段数量是多少？是否受硬件限制？

A

EC-Master支持的最大独立网段数量没有固定的软件限制，它主要受硬件资源的限制。可以创建的网段数量，取决于主站控制器上有多少个可用的物理以太网端口。

Q

多网段功能是否兼容第三方EtherCAT从站设备？

A

完全兼容。

EC-Master的多网段功能与第三方EtherCAT从站设备之间没有任何兼容性问题。这是由EtherCAT协议的标准化和开放性决定的。前提是符合ETG标准的EtherCAT从站，最好是通过了一致性认证。

Q

SDK是免费的吗？可以提供定制方案吗？

A

EC-Master是商用协议栈，本身是收费的。

我们可以为客户提供定制化的服务，譬如硬件适配，底层通讯实现等。

Q

有哪些合作客户作为案例？

A

我们客户分布广泛，在工业机器人、自动化、CNC、医疗等多个领域均有应用。

中国地区典型客户有：

汇川、雷赛、埃斯顿、优必选、广数、联影

Q

EtherCAT的网口可以集成PoE进行远程供电吗？

A

可以，但这通常不是通过标准的EtherCAT网口直接实现的，而是通过特定的硬件或技术方案。

方案一：使用支持PoE的EtherCAT从站设备（最直接）

这是最理想的方案。一些EtherCAT从站制造商（如Beckhoff、Hilscher等）推出了内置PoE受电功能的I/O模块或耦合器。

工作原理：

这些设备在标准的EtherCAT通信端口之外，还集成了PoE的受电电路。它们可以直接从一个支持PoE的交换机或PoE注入器获取电力，而无需外接24V DC电源线。

如何实现：

您需要一个支持PoE的以太网交换机（通常是PoE+或PoE++标准，以提供足够功率）。

将您的PoE交换机连接到主站控制器。

使用标准网线，从PoE交换机的端口连接到支持PoE的EtherCAT从站设备。

设备上电后，会通过网线同时获取数据和电力。

优点：

布线极其简单，一根网线解决所有问题。

缺点：

设备选择范围相对较小，且成本可能略高。

方案二：使用EtherCAT P（EtherCAT的官方解决方案）

EtherCAT P是由EtherCAT发明者Beckhoff推出的一个官方扩展技术，它将24V DC电源线和通信线集成到了一根标准的屏蔽双绞线中。

工作原理：

EtherCAT P重新定义了网线中8根芯线的用途。除了传输EtherCAT数据外，它还利用空闲的线对来传输24V电源（最高可达3A）。

如何实现：

您的主站需要支持EtherCAT P，或者使用一个EtherCAT P耦合器（如Beckhoff的EK1122）。

您的从站设备也必须是支持EtherCAT P的型号。

使用标准的CAT5e网线即可连接。

优点：

标准化：这是ETG认可的技术，互操作性好。

功率高：能提供比标准PoE（IEEE 802.3af/at/bt）更高的功率，适合驱动器等功耗较大的设备。

与PoE共存：EtherCAT P的电压是24V，与PoE的48V不同，两者不会冲突。

缺点：

需要主站和从站都支持EtherCAT P，目前生态系统还在发展中。

方案三：使用PoE分离器（灵活的改造方案）

如果您已经有不支持PoE的EtherCAT从站设备，但想利用现有的PoE交换机，可以使用PoE分离器。

工作原理：

PoE分离器是一个小盒子，它从网线中提取PoE电力，然后通过一个直流电源插头输出给您的设备。

如何实现：

在PoE交换机和您的EtherCAT从站之间，串联一个PoE分离器。

PoE分离器的输入端连接来自交换机的网线。

它的数据输出端（网线口）连接到EtherCAT从站的网口。

它的电源输出端（DC插头）连接到EtherCAT从站的外部电源输入口。

优点：

非常灵活，可以让任何不支持PoE的设备享受PoE布线的便利。

缺点：

每个设备都需要额外增加一个分离器，增加了故障点和部署复杂性。

方案四：使用独立的PoE交换机和供电（不推荐但可行）

理论上，您可以将一个不支持PoE的EtherCAT从站连接到一个PoE交换机的非PoE端口上，然后从同一个PoE交换机的另一个PoE端口取电（通过PoE分离器），但这完全失去了PoE的意义，不如直接用普通交换机。

更多信息，请访问RZ MPU产品网页及瑞萨嵌入式小百科微信公众号。