机器人通信协议EtherCAT和CAN如何选择

以下文章来源于机器人开发圈，作者付斌

当下，虽然行业中存在许多通信协议，但业内人士普遍认为，EtherCAT和CAN两大协议，是机器人行业未来最重要的两大协议。

越来越被重视的EtherCAT

据EtherCAT技术组织（ETG）2024年统计，EtherCAT已占据全球工业机器人通信协议市场39.2%的份额，年增长率达12.7%，表现远超其他同类协议。在关键应用场景中，EtherCAT的优势尤为明显：无论是人形机器人的多关节实时协同控制、自动驾驶的多传感器融合，还是工业4.0中的人机协作，它都在重新定义智能体与物理世界交互的方式。

EtherCAT是机器人关节主流通讯方式之一，在工业机器人、人形机器人关节控制中广泛应用。比如说，库卡、发那科等主流机器人厂商广泛采用EtherCAT作为控制总线，以实现焊接、搬运、喷涂等复杂作业。

EtherCAT适用于对实时性要求高的场景：机器人关节的电流环、速度环、位置环三环控制，需快速完成“信号采集-运算处理-输出”闭环流程。

支持机器人全身统一通讯架构，部分场景也会与CAN搭配，如机器人上半身走EtherCAT，下半身走CAN。

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）总线由德国倍福自动化有限公司在2003年首次提出，它是一种基于以太网的现场总线技术。诞生之初，工业界急需一种高速、高效且低成本的通信解决方案，EtherCAT应运而生，凭借其突破传统以太网在工业自动化应用局限的特点，迅速获得关注。它的最大特点是数据传输速度极快，能够实现纳秒级的同步精度。

EtherCAT仅使用了物理层、链路层、应用层三层协议，与多数传统的现场总线相同，但相比于其它实时以太网协议，如PROFINET、EtherNet/IP等，其协议栈更加精简。因此它具备超高速的数据传输能力，能够在极短时间内完成大量数据的交换，满足机器人实时控制需求，使机器人可以快速响应指令，实现高精度的运动控制。其分布式时钟技术可确保网络中所有设备的时钟精确同步，让机器人各关节动作协调一致，避免因时间偏差导致的运动误差。

On-the-Fly/Processing on the Fly‌（飞行处理）是EtherCAT技术的护城河。有工程师表示，这个特性目前只在EtherCAT上见到了，而且不基于IP协议。该机制是其高性能的核心设计，允许从站在不存储完整报文的情况下，直接读取或写入数据实现微秒级实时通信。

与传统以太网协议不同，数据帧无需存储转发，从站设备在数据经过时直接读取或写入数据段，单帧处理延迟仅为1μs。技术实现主要包括：

分布式时钟同步：基于主从站时钟偏移补偿算法，实现全网络节点时间同步误差低于100 ns（遵循IEEE 1588增强标准）；

数据帧结构优化：采用8字节紧凑型帧头，数据负载率可达98%（高于PROFINET的60%），显著提升带宽利用率。

从性能和安全的角度，EtherCAT很强，但占据主导的另一个主要原因在于开放。

从工程师角度来看，EtherCAT使用起来可能不如CAN友好，不过对运动控制，有要求的场景，EtherCAT协议最有性价比。

目前，MCU厂商对于EtherCAT的重视程度非常高。

早在2023年12月，先楫就对外宣布，推出中国首款拥有德国倍福公司（Beckhoff）正式授权EtherCAT从站控制器（ESC, EtherCAT Slave Controller）的高性能MCU产品HPM6E00系列。而后针对机器人推出HPM6E8Y。在CES 2026上，先楫又发布机器人关节专用的高性能MCU HPM5E3Y，内置EtherCAT从站控制器和2个以太网PHY收发器，RISV-V内核主频达480MHz，内置512KB RAM和1MB Flash闪存，同时体积非常小，最小封装只有9×9毫米，非常匹配机器人关节空间有限、设计紧凑的要求。HPM5E3Y与HPM6E8Y兼容互补，构建全球最完整的机器人关节MCU系列。

国民技术非常关注EtherCAT在机器人上的趋势。2025年慕尼黑期间，国民技术发布国内首款M7+M4双核异构的N32H785、N32GH785EC、N32H787、N32H788四大系列高性能MCU，以及M7内核的N32H760、N32H762、N32H765、N32H765EC四大系列高性能MCU，其中N32H788EC与N32H765EC系列集成EtherCAT从站控制器，是国内首个晶圆级集成倍福官方授权EtherCAT从站控制器。

兆易创新也非常关注EtherCAT在机器人上的趋势。2025年9月，兆易创新推出两款芯片——GDSCN832系列EtherCAT从站控制器产品以及GD32H75E系列超高性能工业互联MCU产品。EtherCAT从站控制芯片GDSCN832集成2个内部PHY和1个MII扩展接口，内置双通道集成Ethernet物理层设备，每个通道均提供全双工100BASE-TX收发器，支持100Mbps运行。GD32H75E集成了EtherCAT IP，使其内置ESC子系统以及一系列高性能外设资源，如3x CAN-FD、2x USB、高性能数字滤波器HPDF、EDOUT、14bit ADC、12bit DAC、比较器等。

CAN也是绕不开的大山

CAN（以及其更适用于运动控制的变种CANopen）是机器人另一主流通讯方案，尤其适用于对实时性要求稍低的场景，如机器人下半身、轮式机器人驱动。

随着EtherCAT成本下降，CAN的应用场景有所压缩，但在关节数量少、控制频率低的机器人如四足机器人、机器狗中仍广泛使用；同时，CAN在人形机器人中仍然不可或缺，比如智元灵犀X1采用100Mbps EtherCAT 1KHZ实时通信转发、EtherCAT转3路CANFD数据域（波特率达5Mbps）。

CAN支持多网段划分。如果机器人全身若有40多个关节，可按肢体（胳膊、腿）分成多个CAN FD网段，避免总线仲裁导致的延迟与丢包。

CAN总线最初为汽车电子设计，核心设计强调可靠性与抗干扰能力。其采用“载波监听多路访问/非破坏性仲裁”（CSMA/CA）机制，允许多个节点在总线空闲时主动发送数据。若发生冲突，优先级高的报文（ID值较小）可继续传输，优先级低的则自动延迟发送，实现无数据损毁的仲裁。

这一机制支持分布式决策，具备高可靠性，适用于传递开关量、传感器数据等非周期性信息，因此在汽车电子控制单元（ECU）间通信中应用广泛。然而，当CAN总线应用于对实时性与周期性要求极高的多轴协同运动控制场景时，其固有局限便显现出来。

从CAN和EtherCAT选择上看，CAN多在已有CAN总线架构的系统中进行扩展，对于轴数较少（如6轴以下）、同步与动态性能要求不极致的桌面机器人、AGV等，CAN足够且经济，同时在极端环境下具有公认的鲁棒性。而EtherCAT则适合在高性能或者大规模分布式的机器人系统，虽然单节点成本可能较高，但其在简化布线、免中继设备、便于调试维护以及性能提升等方面的综合价值，往往使长期成本更具优势。

I3C这一协议也在发展

I3C是新兴的传感器通讯协议，国外大厂正推动其在机器人灵巧手领域的应用，可省去外部PHY，简化硬件设计。比如，NXP的i.MX RT1180集成2个I3C接口，可连接多个伺服节点与传感器；英飞凌的PSOC Edge支持I3C；瑞萨最新推出的RA8系列高性能MCU中，也均支持了I3C总线；Microchip的PIC18-Q20系列配备了通信速率快的I3C模块；ST的STM32N6、STM32H5、STM32H7、STM32U3均支持I3C。

I3C适配灵巧手多电机控制、高密度传感器数据采集（如电子皮肤、力矩传感器），适合传感器数量多、安装空间受限的场景（如机器人手指）。

目前机器人灵巧手主流仍采用CAN FD，I3C因生态成熟度不足，尚未大规模落地。此外，有工程师认为I3C的方案在抗干扰能力上较差，所以很难在灵巧手上实现规模化落地。

不过，当前技术扔在不断发展和进化之中。一些国产芯片正在讲将I3C纳入研发范畴，未来将根据市场需求推进量产，同时关注CAN XL等新型协议的发展。届时，整个市场将会进一步发生变化。

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