以下文章來源于機(jī)器人開發(fā)圈，作者付斌

當(dāng)下，雖然行業(yè)中存在許多通信協(xié)議，但業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，EtherCAT和CAN兩大協(xié)議，是機(jī)器人行業(yè)未來最重要的兩大協(xié)議。

越來越被重視的EtherCAT

據(jù)EtherCAT技術(shù)組織（ETG）2024年統(tǒng)計(jì)，EtherCAT已占據(jù)全球工業(yè)機(jī)器人通信協(xié)議市場(chǎng)39.2%的份額，年增長(zhǎng)率達(dá)12.7%，表現(xiàn)遠(yuǎn)超其他同類協(xié)議。在關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景中，EtherCAT的優(yōu)勢(shì)尤為明顯：無論是人形機(jī)器人的多關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)協(xié)同控制、自動(dòng)駕駛的多傳感器融合，還是工業(yè)4.0中的人機(jī)協(xié)作，它都在重新定義智能體與物理世界交互的方式。

EtherCAT是機(jī)器人關(guān)節(jié)主流通訊方式之一，在工業(yè)機(jī)器人、人形機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中廣泛應(yīng)用。比如說，庫卡、發(fā)那科等主流機(jī)器人廠商廣泛采用EtherCAT作為控制總線，以實(shí)現(xiàn)焊接、搬運(yùn)、噴涂等復(fù)雜作業(yè)。

EtherCAT適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景：機(jī)器人關(guān)節(jié)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制，需快速完成“信號(hào)采集-運(yùn)算處理-輸出”閉環(huán)流程。

支持機(jī)器人全身統(tǒng)一通訊架構(gòu)，部分場(chǎng)景也會(huì)與CAN搭配，如機(jī)器人上半身走EtherCAT，下半身走CAN。

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）總線由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司在2003年首次提出，它是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。誕生之初，工業(yè)界急需一種高速、高效且低成本的通信解決方案，EtherCAT應(yīng)運(yùn)而生，憑借其突破傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用局限的特點(diǎn)，迅速獲得關(guān)注。它的最大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度極快，能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級(jí)的同步精度。

EtherCAT僅使用了物理層、鏈路層、應(yīng)用層三層協(xié)議，與多數(shù)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線相同，但相比于其它實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，如PROFINET、EtherNet/IP等，其協(xié)議棧更加精簡(jiǎn)。因此它具備超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠在極短時(shí)間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的交換，滿足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制需求，使機(jī)器人可以快速響應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制。其分布式時(shí)鐘技術(shù)可確保網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的時(shí)鐘精確同步，讓機(jī)器人各關(guān)節(jié)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，避免因時(shí)間偏差導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)誤差。

On-the-Fly/Processing on the Fly?（飛行處理）是EtherCAT技術(shù)的護(hù)城河。有工程師表示，這個(gè)特性目前只在EtherCAT上見到了，而且不基于IP協(xié)議。該機(jī)制是其高性能的核心設(shè)計(jì)，允許從站在不存儲(chǔ)完整報(bào)文的情況下，直接讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)實(shí)時(shí)通信。

與傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議不同，數(shù)據(jù)幀無需存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，從站設(shè)備在數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)直接讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)段，單幀處理延遲僅為1μs。技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要包括：

分布式時(shí)鐘同步：基于主從站時(shí)鐘偏移補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步誤差低于100 ns（遵循IEEE 1588增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)）；

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用8字節(jié)緊湊型幀頭，數(shù)據(jù)負(fù)載率可達(dá)98%（高于PROFINET的60%），顯著提升帶寬利用率。

從性能和安全的角度，EtherCAT很強(qiáng)，但占據(jù)主導(dǎo)的另一個(gè)主要原因在于開放。

從工程師角度來看，EtherCAT使用起來可能不如CAN友好，不過對(duì)運(yùn)動(dòng)控制，有要求的場(chǎng)景，EtherCAT協(xié)議最有性價(jià)比。

目前，MCU廠商對(duì)于EtherCAT的重視程度非常高。

早在2023年12月，先楫就對(duì)外宣布，推出中國(guó)首款擁有德國(guó)倍福公司（Beckhoff）正式授權(quán)EtherCAT從站控制器（ESC, EtherCAT Slave Controller）的高性能MCU產(chǎn)品HPM6E00系列。而后針對(duì)機(jī)器人推出HPM6E8Y。在CES 2026上，先楫又發(fā)布機(jī)器人關(guān)節(jié)專用的高性能MCU HPM5E3Y，內(nèi)置EtherCAT從站控制器和2個(gè)以太網(wǎng)PHY收發(fā)器，RISV-V內(nèi)核主頻達(dá)480MHz，內(nèi)置512KB RAM和1MB Flash閃存，同時(shí)體積非常小，最小封裝只有9×9毫米，非常匹配機(jī)器人關(guān)節(jié)空間有限、設(shè)計(jì)緊湊的要求。HPM5E3Y與HPM6E8Y兼容互補(bǔ)，構(gòu)建全球最完整的機(jī)器人關(guān)節(jié)MCU系列。

國(guó)民技術(shù)非常關(guān)注EtherCAT在機(jī)器人上的趨勢(shì)。2025年慕尼黑期間，國(guó)民技術(shù)發(fā)布國(guó)內(nèi)首款M7+M4雙核異構(gòu)的N32H785、N32GH785EC、N32H787、N32H788四大系列高性能MCU，以及M7內(nèi)核的N32H760、N32H762、N32H765、N32H765EC四大系列高性能MCU，其中N32H788EC與N32H765EC系列集成EtherCAT從站控制器，是國(guó)內(nèi)首個(gè)晶圓級(jí)集成倍福官方授權(quán)EtherCAT從站控制器。

兆易創(chuàng)新也非常關(guān)注EtherCAT在機(jī)器人上的趨勢(shì)。2025年9月，兆易創(chuàng)新推出兩款芯片——GDSCN832系列EtherCAT從站控制器產(chǎn)品以及GD32H75E系列超高性能工業(yè)互聯(lián)MCU產(chǎn)品。EtherCAT從站控制芯片GDSCN832集成2個(gè)內(nèi)部PHY和1個(gè)MII擴(kuò)展接口，內(nèi)置雙通道集成Ethernet物理層設(shè)備，每個(gè)通道均提供全雙工100BASE-TX收發(fā)器，支持100Mbps運(yùn)行。GD32H75E集成了EtherCAT IP，使其內(nèi)置ESC子系統(tǒng)以及一系列高性能外設(shè)資源，如3x CAN-FD、2x USB、高性能數(shù)字濾波器HPDF、EDOUT、14bit ADC、12bit DAC、比較器等。

CAN也是繞不開的大山

CAN（以及其更適用于運(yùn)動(dòng)控制的變種CANopen）是機(jī)器人另一主流通訊方案，尤其適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求稍低的場(chǎng)景，如機(jī)器人下半身、輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)。

隨著EtherCAT成本下降，CAN的應(yīng)用場(chǎng)景有所壓縮，但在關(guān)節(jié)數(shù)量少、控制頻率低的機(jī)器人如四足機(jī)器人、機(jī)器狗中仍廣泛使用；同時(shí)，CAN在人形機(jī)器人中仍然不可或缺，比如智元靈犀X1采用100Mbps EtherCAT 1KHZ實(shí)時(shí)通信轉(zhuǎn)發(fā)、EtherCAT轉(zhuǎn)3路CANFD數(shù)據(jù)域（波特率達(dá)5Mbps）。

CAN支持多網(wǎng)段劃分。如果機(jī)器人全身若有40多個(gè)關(guān)節(jié)，可按肢體（胳膊、腿）分成多個(gè)CAN FD網(wǎng)段，避免總線仲裁導(dǎo)致的延遲與丟包。

CAN總線最初為汽車電子設(shè)計(jì)，核心設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)可靠性與抗干擾能力。其采用“載波監(jiān)聽多路訪問/非破壞性仲裁”（CSMA/CA）機(jī)制，允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)在總線空閑時(shí)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。若發(fā)生沖突，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文（ID值較小）可繼續(xù)傳輸，優(yōu)先級(jí)低的則自動(dòng)延遲發(fā)送，實(shí)現(xiàn)無數(shù)據(jù)損毀的仲裁。

這一機(jī)制支持分布式?jīng)Q策，具備高可靠性，適用于傳遞開關(guān)量、傳感器數(shù)據(jù)等非周期性信息，因此在汽車電子控制單元（ECU）間通信中應(yīng)用廣泛。然而，當(dāng)CAN總線應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性與周期性要求極高的多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景時(shí)，其固有局限便顯現(xiàn)出來。

從CAN和EtherCAT選擇上看，CAN多在已有CAN總線架構(gòu)的系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)于軸數(shù)較少（如6軸以下）、同步與動(dòng)態(tài)性能要求不極致的桌面機(jī)器人、AGV等，CAN足夠且經(jīng)濟(jì)，同時(shí)在極端環(huán)境下具有公認(rèn)的魯棒性。而EtherCAT則適合在高性能或者大規(guī)模分布式的機(jī)器人系統(tǒng)，雖然單節(jié)點(diǎn)成本可能較高，但其在簡(jiǎn)化布線、免中繼設(shè)備、便于調(diào)試維護(hù)以及性能提升等方面的綜合價(jià)值，往往使長(zhǎng)期成本更具優(yōu)勢(shì)。

I3C這一協(xié)議也在發(fā)展

I3C是新興的傳感器通訊協(xié)議，國(guó)外大廠正推動(dòng)其在機(jī)器人靈巧手領(lǐng)域的應(yīng)用，可省去外部PHY，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。比如，NXP的i.MX RT1180集成2個(gè)I3C接口，可連接多個(gè)伺服節(jié)點(diǎn)與傳感器；英飛凌的PSOC Edge支持I3C；瑞薩最新推出的RA8系列高性能MCU中，也均支持了I3C總線；Microchip的PIC18-Q20系列配備了通信速率快的I3C模塊；ST的STM32N6、STM32H5、STM32H7、STM32U3均支持I3C。

I3C適配靈巧手多電機(jī)控制、高密度傳感器數(shù)據(jù)采集（如電子皮膚、力矩傳感器），適合傳感器數(shù)量多、安裝空間受限的場(chǎng)景（如機(jī)器人手指）。

目前機(jī)器人靈巧手主流仍采用CAN FD，I3C因生態(tài)成熟度不足，尚未大規(guī)模落地。此外，有工程師認(rèn)為I3C的方案在抗干擾能力上較差，所以很難在靈巧手上實(shí)現(xiàn)規(guī)?；涞亍?/p>

不過，當(dāng)前技術(shù)扔在不斷發(fā)展和進(jìn)化之中。一些國(guó)產(chǎn)芯片正在講將I3C納入研發(fā)范疇，未來將根據(jù)市場(chǎng)需求推進(jìn)量產(chǎn)，同時(shí)關(guān)注CAN XL等新型協(xié)議的發(fā)展。屆時(shí)，整個(gè)市場(chǎng)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化。