Azure

一名業(yè)余單片機(jī)愛好者，平時(shí)喜歡折騰各種開發(fā)板和新出的MCU。本職工作是一名軟件工程師，日常主要從事軟件應(yīng)用開發(fā)，更多是和系統(tǒng)、應(yīng)用打交道。相比工作里的軟件世界，更喜歡在業(yè)余時(shí)間動(dòng)手做一些硬件相關(guān)的小項(xiàng)目，既能學(xué)習(xí)新東西，也能保持對(duì)技術(shù)的好奇心。

前 言

今年五月，先楫半導(dǎo)體發(fā)布了新一代高性能EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制MCU——HPM5E00。HPM5E00集成32位RISC-V內(nèi)核，支持 RV32G（IMAFDC）通用指令集及位操作（B）、DSP（P）擴(kuò)展，片內(nèi)存儲(chǔ)含 32 KB 指令/數(shù)據(jù)高速緩存 (I/D Cache)、共計(jì)256KB的零等待本地存儲(chǔ)器 (ILM/DLM) 以及256KB通用SRAM，實(shí)測(cè)CoreMark 2712 分 @ 480 MHz（≈5.65 CoreMark/MHz）。它最突出的亮點(diǎn)在于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)：集成EtherCAT從站控制器(ESC)，搭載千兆以太網(wǎng)MAC，支持RGMII/RMII/MII，可實(shí)現(xiàn)高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信。這意味著，原本需要MCU+獨(dú)立ESC芯片的方案，現(xiàn)在一顆MCU就能搞定，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。作為一名對(duì)新技術(shù)毫無(wú)抵抗力的愛好者，我立刻鎖定了它，遂決定設(shè)計(jì)一塊板子，嘗鮮這款新出內(nèi)置ESC的國(guó)產(chǎn)MCU。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

HPM5E00 系列目前提供兩種封裝形式：BGA-196 和 eLQFP-100?？紤]到業(yè)余條件的焊接水平，在開發(fā)板設(shè)計(jì)時(shí)選擇了eLQFP-100封裝的HPM5E31IPB1，以便于手工焊接和調(diào)試。

在設(shè)計(jì)過程中，主要參考了官方的HPM5E00EVK評(píng)估板，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能精簡(jiǎn)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該開發(fā)板的核心目標(biāo)是驗(yàn)證 EtherCAT功能，同時(shí)測(cè)試HPM5E00芯片集成的一些常用外設(shè)。

該板子的設(shè)計(jì)更注重簡(jiǎn)潔與實(shí)用性：

保留EtherCAT P0/P1 接口與RGMII千兆以太網(wǎng)接口，便于直接開展工業(yè)以太網(wǎng)通信驗(yàn)證；

板載多種常用外設(shè)（1.14寸 LCD、蜂鳴器、DS18B20、USB OTG、CAN、串口），既可作為EtherCAT測(cè)試的輔助組件，也方便移植和運(yùn)行其它的HPM SDK示例；

板子設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào) 緊湊、高效與實(shí)用，在保持核心功能完整的同時(shí)，提升實(shí)驗(yàn)與調(diào)試的便捷性。

最終形成的HPM5E-EC-DEV是一款面向EtherCAT入門評(píng)估的輕量級(jí)開發(fā)板，同時(shí)兼顧多外設(shè)驗(yàn)證與功能擴(kuò)展，適用于入門學(xué)習(xí)、評(píng)估研究等場(chǎng)景。

項(xiàng)目開源地址
https://oshwhub.com/azure2024/hpm5e-ec-dev-public

硬件設(shè)計(jì)介紹

電源

開發(fā)板采用USB供電，板載兩路DCDC降壓電路（5V→3.3V、3V3→1.2V），分別為外設(shè)、MCU核心提供穩(wěn)定電源。

EtherCAT 電路

參考HPM5E00EVK評(píng)估板，使用JL1111，去掉了不需要的兼容電路。

由于eLQFP-100封裝HPM5E31IPB1把ECAT-P1與千兆R(shí)GMII部分引腳復(fù)用，eLQFP-100封裝的EtherCAT與千兆網(wǎng)只能二選一（BGA-196 封裝無(wú)此限制），因此板載兩組8位撥碼開關(guān)，用于硬件切換信號(hào)連接。

RGMII千兆以太網(wǎng)電路

參考HPM5E00EVK評(píng)估板，使用RTL8211。

USB-OTG 電路

參考HPM5E00EVK評(píng)估板，實(shí)現(xiàn)OTG主從識(shí)別、電源供給與過流保護(hù)，以及抗干擾與靜電保護(hù)。

USB 轉(zhuǎn)串口 CH340 電路

擴(kuò)展IO

將未使用的GPIO引出，方便外部擴(kuò)展開發(fā)。

其它外圍電路

測(cè)試驗(yàn)證

主要基于官方HPM_SDK和HPM_APPS提供的例程進(jìn)行驗(yàn)證。先楫提供的HPM_SDK完善易用，例程覆蓋EtherCAT、千兆以太網(wǎng)、USB、CAN等常用外設(shè)，配合清晰的文檔，使用起來(lái)非常順手。即便是第一次接觸先楫MCU，也能憑借官方SDK快速上手，現(xiàn)學(xué)現(xiàn)賣，輕松完成EtherCAT主/從站驗(yàn)證與高速網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。

綜合測(cè)試（嵌入式web服務(wù)器）

通過USB虛擬網(wǎng)卡設(shè)備（RNDIS）與Mongoose網(wǎng)絡(luò)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輕量級(jí)的嵌入式Web服務(wù)器。開發(fā)板通過USB連接PC后，會(huì)被識(shí)別為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，上位機(jī)無(wú)需額外驅(qū)動(dòng)即可通過瀏覽器訪問嵌入式Web頁(yè)面。

作為開發(fā)板的Web控制面板，可實(shí)時(shí)顯示芯片溫度、內(nèi)存使用率等狀態(tài)，并提供對(duì)板載外設(shè)的遠(yuǎn)程操作功能，LED燈開關(guān)、蜂鳴器控制等。這種方式不僅方便演示板載外設(shè)功能，以此為基礎(chǔ)還可以輕松擴(kuò)展為更復(fù)雜的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)或人機(jī)交互界面（HMI）。

EtherCAT 從站測(cè)試

使用TwinCAT3軟件作為EtherCAT主站。

使用Realtek RTL8168網(wǎng)卡（筆記本板載網(wǎng)卡），與官方HPM6E00EVK評(píng)估板進(jìn)行串聯(lián)通信測(cè)試。

ECAT-P1撥碼全部撥到1，ETH-RGMII撥碼全部撥到0。

EtherCAT 主站測(cè)試

作為主站（Master）的板卡，使用官方hpm_apps/ethercat_master例程，ECAT-P1撥碼全部撥到0，ETH-RGMII撥碼全部撥到1。

作為從站（Slave）的板卡，使用官方hpm_sdk/ethercat/ecat_io例程，ECAT-P1撥碼全部撥到1，ETH-RGMII撥碼全部撥到0。

千兆以太網(wǎng)測(cè)試

使用Intel I350網(wǎng)卡。測(cè)試前請(qǐng)關(guān)閉電腦防火墻，避免防火墻攔截導(dǎo)致測(cè)速異常。

ECAT-P1撥碼全部撥到0，ETH-RGMII撥碼全部撥到1。

測(cè)試結(jié)果 - TCP Server: 300 Mbps+

測(cè)試結(jié)果 - TCP Client: 640 Mbps+

測(cè)試結(jié)果 - UDP Server: 950 Mbps+

測(cè)試結(jié)果 - UDP Client: 760 Mbps+

總 結(jié)

HPM5E00作為先楫半導(dǎo)體推出的新一代高性能運(yùn)動(dòng)控制MCU，最大亮點(diǎn)在于將EtherCAT從站控制器（ESC）與千兆以太網(wǎng)MAC集成于單顆芯片，打破了傳統(tǒng)“MCU+獨(dú)立ESC芯片”的方案，不僅顯著簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，也讓EtherCAT的應(yīng)用門檻大幅降低。同時(shí)，它基于32位RISC-V內(nèi)核，支持DSP擴(kuò)展，內(nèi)置Cache與大容量SRAM，實(shí)測(cè)CoreMark 2712 分 @ 480MHz，無(wú)論在實(shí)時(shí)性還是算力上都足以應(yīng)對(duì)一般工業(yè)控制任務(wù)。在華秋商城BGA196封裝零售僅34元，批量更低，HPM5E00完美展現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)MCU的高集成度、強(qiáng)性能與低價(jià)格的優(yōu)勢(shì)。

/

完

/

以上內(nèi)容來(lái)自先楫開發(fā)者的原創(chuàng)分享。

我們始終相信開發(fā)者共創(chuàng)的力量。先楫社區(qū)堅(jiān)持開源共享、互惠互利，貼近每一個(gè)開發(fā)者，一步一個(gè)腳印，一點(diǎn)一滴積累，為成為更好的我們而不斷努力。

心之所向，銳意進(jìn)取，星辰大海，恣意成長(zhǎng)。