10BASE-T1S LAN8651笔记 STM32 HPM5361 LwIP测试

weifengdq2026-03-18 12:38

文章目录

10BASE-T1S 简介

命名方式:

  • 10, 传输速度 10Mbits/s
  • BASE, 基带传输, 信号不经过调制, 直接在介质上传输
  • T, Twisted-pair, 双绞线
  • 1, 1 Pair, 单对双绞线以太网SPE(Single-Pair Ethernet), 也就是2根线
  • S, Short Reach, 短距离, 多点连接总线型, 多个节点互联不需要交换机, 可以像CAN那样直接连, 终端电阻 100Ω 装在最远端的两个节点上, 点对点至少15m全双工, 或支持8个以上25m半双工, 一般32个也可以. 有 S 就有 L, 都符合 IEEE 802.3cg 标准, 10BASE-T1L 能到 1km, 但是没有 PLCA 这种机制.
  • 概括: 一种使用单对双绞线、在短距离总线型拓扑上、以10Mbps基带方式传输的工业与车载以太网标准

部分优点:

  • PLCA ( PHY-Level Collision Avoidance, 物理层冲突避免) , 10BASE-T1S 核心介质访问机制，通过时分复用时隙分配消除多节点数据冲突，由协调器节点发 Beacon 信号启动传输周期. 半双工, 保证确定性延迟和高效率. 所有从节点（Node1~N）依赖 Node0 的 BEACON 重置传输机会计数器（TO, Transmit Opportunity 计数器）, 如果没有节点0或者BEACON 消息, PLCA轮询机制失效, 自动回退到 CSMA/CD 模式, 所有节点竞争总线，冲突概率上升. PLCA 还能配置 Burst 模式, 比如某个节点1500B占用1.2ms, 另一个高频节点期间积累的几包数据可以一次性发出去, 避免延迟积累.

  • 支持 SPE 供电（PoDL） , 意味着只需要两根线就能搞定 供电+通信

  • ...

接口方案 , 大致可以参考 MAC-PLCA-PCS-PMA-MDI 的路径:

  • MII/RMII , 一般是 RMII 10Pins(REF_CLK, TXD[1:0], RXD[1:0], TX_EN, RX_ER, CRS_DV, MDIO, MDC), 类似STM32接LAN8720

  • SPI , MAC-PHY, 开放联盟(Open Alliance) 在 TC6 中给出的 SPI 接口方案, 5Pins(CSn, SCK, MOSI, MISO, IRQn), 类似 MCU 通过 SPI 接口接 MCP251x 扩展 CAN, 本篇的 LAN8651 就是 SPI-10BASET1S

  • OA3p , Open Alliance 3‑pin Interface, 收发器PHY, 3Pins(TX, RX, ED), 类似外接CAN收发器, 在 10BASE-T1S 里面称为 PMD 收发器

  • MDI, 集成PHY, 类似于 CH32V317 CH32H417 直接把百兆 PHY 集成进 MCU, 常见于带 10BASE-T1S 的交换机芯片.

PHY 之后一般是共模电感, 隔直电容, 终端电阻, ESD 等:

部分厂商与芯片汇总

部分收集, 仅供参考:

SPI, MAC-PHY:

  • Microchip: LAN8650/8651
  • onsemi: NCN26010(工业), NCV7410(车载), T30HM1TS2500(车载)
  • TI: DP83TD555J‑Q1
  • ADI: AD3300, AD3306

MII/RMII PHY:

  • Microchip: LAN8670/8671/8672
  • onsemi: NCN26000

OA3p, PMD收发器:

  • Microchip: LAN8679/8680
  • NXP: TJA1410
  • TI: DP83TD530-Q1, DP83TD535‑Q1

RCP, SPE Endpoints:

  • Microchip: LAN8660(Control), LAN8661(Lighting), LAN8662(Audio)
  • ADI: AD3300, AD3301, AD3304, AD3305

Switch, 带 10BASE-T1S PHY:

  • Infineon Marvell 88Q5152 88Q5192

LAN8651 简介

LAN8651 | Microchip Technology:

  • SPI接口, MAC-PHY 以太网控制器, SPI 最大支持 25MHz, 模式0
  • 3.3V 单电源供电, 集成 1.8V LDO, 需外接 25MHz 无源晶振
  • -40 ~ +125 ℃, AEC-Q100
  • 设计遵循 OPEN Alliance 10BASE‑T1x MAC‑PHY Serial Interface specification, V1.1 规范

数据面, 遵照规范, 发送有4B Header, 接收有4B Footer, payload默认64B:

控制面 , 4B Header + Payload, 控制面主要是以下工作:

  • 复位, 校验设备
  • 使能 PLCA 相关时序和节点参数(如节点ID, 节点总数等)
  • 配置 MAC 接收行为(如允许多播哈希、接收时去掉 FCS、半双工下接收帧, 打开MAC收发功能)
  • 设置 TC6 同步、对齐、块大小, 64B block payload
  • 写入 MAC 地址
  • 使能 TX RX
  • 运行时的状态查看与故障诊断

做了一批LAN8651的小板子, 放在 XY, 同名主页里面:

参考原理图:

一般需要 8 根线与 MCU 板子相连, 电源(3V3) 2 + SPI 4 + IRQ_N 1 + RST_N 1

下面是 在 STM32F407 和 HPM5631 上使用的示例, 源码放到了 Github 上, 欢迎 Star:

https://github.com/weifengdq/embedded

因为用到了 LwIP, 为了用的舒心一些, 推荐移植到其它MCU时, Flash 和 SRAM 都在 128KB 及以上.

SPI 的速率一般建议在 15Mbits/s ~ 25Mbits/s, 基本能跑满 10BASE-T1S 的带宽.

STM32F407 LAN8651

STM32F407 与 Microchip LAN8651 的裸机 10BASE-T1S 以太网示例，网络协议栈使用 lwIP 2.2.1：

  • 静态 IPv4 地址通信, 192.168.1.108, 255.255.255.0, 192.168.1.1
  • ICMP Ping
  • UDP Echo 回显服务, 端口8, 注意不是7.
  • TCP iperf server, 端口 5008, 注意不是5001
  • 通过 SPI3 + GPIO(复位 中断) 以 OPEN Alliance TC6 协议连接外部 LAN8651 10BASE-T1S MAC-PHY
  • PLCA 使能, 节点ID 1, 节点(最大)总数8

硬件连接如下:

信号 STM32F407 引脚 方向 说明
USART1_TX PA9 MCU 输出 调试串口发送
USART1_RX PA10 MCU 输入 调试串口接收
SPI3_SCK PC10 MCU 输出 SPI 时钟
SPI3_MISO PC11 MCU 输入 从 LAN8651 读取数据
SPI3_MOSI PC12 MCU 输出 向 LAN8651 发送数据
LAN_CS_N PA15 MCU 输出 软件控制片选，低有效
LAN_IRQ_N PD0 MCU 输入 LAN8651 中断，低有效
LAN_RESET_N PD1 MCU 输出 LAN8651 复位，低有效
GND LAN8651 GND
3V3 LAN8651 3.3V 供电

SPI3 的当前工作方式如下:

项目 配置
模式 Master
方向 2 Lines，全双工
数据宽度 8 bit
CPOL / CPHA Mode 0, CPOL Low, CPHA 1 Edge
NSS Software
First Bit MSB
运行期分频 SPI_BAUDRATEPRESCALER_2, 对应 21Mbits/s

工程使用 powershell + cmake 管理, stlink下载, 工具链用的 STM32CubeIDE 自带的 C:\ST\STM32CubeIDE_2.1.0\STM32CubeIDE\plugins\com.st.stm32cube.ide.mcu.externaltools.gnu-tools-for-stm32.14.3.rel1.win32_1.0.100.202602081740\tools\bin, 使用以下命令编译和下载运行

bash 复制代码 
.\build.ps1 rebuild Release
.\build.ps1 flash Release

测试 ping, udp echo, 和 iperf 的截图:

HPM5361 LAN8651

工程基于 HPM SDK 1.11.0，在 hpm5300evk 上使用 HPM5361 的 SPI1 (Block + DMA) 驱动 LAN8651，并接入 SDK 自带 lwIP baremetal port, LAN8651 与 HPM5361 连接如下, 都在HPM5300EVK的树莓派接口上：

  • CS_N: PA26, 树莓派接口24 CE0
  • SCK: PA27, 树莓派接口23 SCLK
  • MISO: PA28, 树莓派接口21 MISO
  • MOSI: PA29, 树莓派接口19 MOSI
  • IRQ_N: PA12, 树莓派接口11 GPIO0
  • RESET_N: PA10, 树莓派接口12 GPIO1

注意电源是3.3V.

IP: 192.168.1.109, UDP Echo 端口 9, iperf 端口 5009.

PLCA 节点 ID 2.

SPI 最大频率 20MHz.

路径是直接放sdk samples里面 D:\hpm\sdk_env_v1.11.0\hpm_sdk\samples, 编译 .\build.ps1 rebuild Release 下载 .\build.ps1 flash Release, 下面是 ping, udp echo, 和 iperf 测试:

多个节点

多个节点相连不需要以太网交换机, 可以像CAN那样直接相连(下图中终端电阻多了一组, 实际需要去掉一组):

再次贴下参数, 都使能PLCA, 各自设置不同的节点ID:

  • USB-10BASET1S: 192.168.1.2, PLCA ID 0, Node Count 8, TO TIMER 8
  • STM32F407 + LAN8651: 192.168.1.108, UDP Echo Port 8, PLCA ID 1
  • HPM5361 + LAN8651: 192.168.1.109, UDP Echo Port 9, PLCA ID 2

同时 ping:

同时 iperf, STM32先开始, 然后 HPM5361 后开始, HPM5361先结束, 然后STM32后结束

下图是反过来, HPM5361先开始后结束, STM32后开始先结束:

LwIP链路参考

整体链路如下:

bash 复制代码 
lwIP upper layer
	↓
netif.linkoutput = low_level_output()
	↓
LAN8651_Transmit()
	↓
SPI3 + OA TC6
	↓
LAN8651 / 10BASE-T1S

10BASE-T1S / LAN8651
	↓
SPI3 + OA TC6
	↓
LAN8651_Receive(), low_level_input()
	↓
ethernetif_input()
	↓
netif->input()
	↓
lwIP ARP/IP/ICMP/UDP

USB-10BASET1S 默认配置

IP: 192.168.1.2

高级属性里面的默认配置:

bash 复制代码 
10BASE-T1S Burst Timer: 128
10BASE-T1S Link Status Selection: Link Status reflects PLCA Status
10BASE-T1S Link Status Wait Time: 15ms
10BASE-T1S Local Node Id: 0
10BASE-T1S Max Burst Count: 0
10BASE-T1S Mode: PLCA
10BASE-T1S Node Count: 8
10BASE-T1S TO Timer: 32
Flow Control: Rx & Tx Enabled
Network Address: 不存在
No VLAN Stripping on RX: Disabled
Priority & VLAN: Priority & VLAN Enabled
Selective Suspend: Disabled
Selective Suspend Idle Timeout: 10
Speed & Duplex: 10 Mbps Half Duplex
UnTagged Frames Without VLAN: Enabled
USB Bandwidth Usage Mode: Maximum Throughput
User Configurable Link Status: Link Up
VLAN ID1 Rx: 0
VLAN ID1 Tx: 0
VLAN ID2 Rx: 0
VLAN ID3 Rx: 0
Wake on magic packet: Disabled
Wake on pattern match: Disabled

默认节点数量8, PLCA模式, Node ID 0 当作 PLCA 协调器.

逻辑分析仪示例

主要看下数据面

64B Payload

UDP 包echo 测试(Payload部分) 1234567890123456789012 共22B数据, Wireshark 中可以看到对应包长 64B.

从USB-10BASET1S -> LAN8651 -> MCU(192.168.1.2 -> 192.168.1.x) 的数据会出现在 MISO 上, 遵循 MAC-PHY SPI 数据格式, 是 Receive Ethernet Frame + 4-Byte Receive Footer :

  • SPI 包总长度 68B = 64B Eth Frame + 4B Footer
  • Footer 0x20307F3E(SPI配置的 MSB First)
    • 0010 0000 0011 0000 0111 1111 0011 1110
    • SYNC: 1, 配置同步
    • DV, Data Valid: 1, 数据有效
    • SV, Start Valid: 1, 有效开始
    • SWO, Start Word Offset: 0, 开始位置在0字节, 也就是第1字节
    • EV, End Valid, 1, 有效结束, 表示以太网帧的结束包含在数据块有效载荷中, 如果 DV 为0, 忽略 EV
    • EBO, End Byte Offset, 63, 结束字节偏移63, 也就是第64字节
    • TXC, Trasmit Credits, 63, 发送信用, 指示不会导致缓冲区溢出的SPI能发送到LAN8651的数据块数

MCU echo 的数据会出现在 MOSI 上, 是 4-Byte Transmit Header + Block Payload Bytes, 参数数据手册, 此处不再赘述:

65B Payload

UDP 包echo 测试(Payload部分) 12345678901234567890123 共23B数据, Wireshark 中可以看到对应包长 65B, SPI 包 Payload 最大64B, 需要拆成2包:

第一包 footer 0x2130003E:

  • 0010 0001 0011 0000 0000 0000 0011 1110
  • RBA, Receive Blocks Available, 从单包的0变成了1, 还有1个包待接收?
  • DV 1, SV 1, SWO 0
  • EV 0, 以太网帧结束不在此SPI数据块Payload里, 后面还有. EBO 0

第二包 footer 0x2020403F:

  • 0010 0000 0010 0000 0100 0000 0011 1111
  • RBA 0, 后面没有包了
  • DV 1, SV 0 以太网帧开始不再这里, SWO 0
  • EV 1, EBO 0, 以太网帧结束在SPI Payload里, 结束在0字节
  • P 1, 这个是校验位 Parity odd

MCU Echo 回来的也是2个SPI包:

第一包 header 0xA0300001:

  • DV 1, SV 1, SWO 0, 以太网帧开始在此SPI包里
  • EV 0, EBO 0, 以太网帧结束不再此SPI包里

第二包 header 0xA0204001:

  • DV 1, SV 0, 以太网帧开始不在此SPI包里
  • EV 1, EBO 0, 以太网帧结束在此SPI包Payload的0字节

10BASE-T1S 零散补充

节点定义

节点类型 定义与功能
协调器（Coordinator） ID=0 的节点，负责周期性发送 BEACON 信标、配置传输机会数，是 PLCA 组网核心
跟随器（Follower） ID=1~254 的节点，接收信标同步传输机会计数器，需保证 ID 全网唯一
端节点（End Node） 网段两端的节点，可集成 100Ω 终端电阻，无其他节点串联
主节点（Head Node） 网段最高级应用节点，通常为交换机 / 网关，对接核心网络
Drop Node 位于两个端节点之间的节点

注:

  • ID 此处指 aPLCALocalNodeID (PLCA ID)
  • 组网要求：每网段建议包含 1 个协调器 + 1 个主节点 + 2 个端节点，协调器和主节点功能可合并至同一物理节点。

寄存器部分规则与诊断

  • 所有节点TOT 值必须一致，否则无法实现无冲突传输；(TOT, Transmit Opportunity Timer 传输机会计时器)
  • 突发模式仅当 MAXBC 非 0 时生效，BTMR 需适配本地 MAC 时延
  • DIAG:
    • RXINTO, RX in own TO, 当本地节点在其分配的传输机会期间接收到数据包时，此位会被置位, 表明混合段上存在至少另一个具有相同节点ID的节点. 跟随器ID 必须全网唯一 ，否则触发 RXINTO 诊断位
    • UNEXPB, Unexpedted BEACON, 意外信标诊断位, 表明混合端上至少存在另一个协调器
    • BCNBFTO, BEACON before TO, 当本地节点获得传输机会之前检测到信标时，从节点上的该位会被置位，表明协调器节点的CTRL1寄存器中NCNT字段的配置可能存在错误. 协调器NCNT 需大于等于实际组网节点数 ，否则触发 BCNBFTO 诊断位.

DPLCA

Dynamic Physical Layer Collision Avoidance, 动态物理层碰撞避免, 可选的, 并非所有芯片都支持.

这是可选的 PLCA 节点 ID 分配方法。这应该允许所有节点 ID（包括节点 0）动态分配，并在操作过程中进行更改。协调节点还应该能够根据检测到的活动节点数量来改变节点数。dPLCA 与 802.3cg 中定义的正常 PLCA 兼容，因此 dPLCA 打开的节点可以在不影响正常 PLCA 节点操作的情况下加入网络。

开源链接

原理图和代码放在了 Github 上, 再次贴出链接:

https://github.com/weifengdq/embedded

Q群(嵌入式_机器人_自动驾驶交流群) 1040239879

参考资料

相关推荐
LCG元3 小时前
STM32项目开发：基于HC-SR04的超声波测距与倒车雷达系统
stm32·单片机·嵌入式硬件
学嵌入式的小杨同学3 小时前
STM32 进阶封神之路（十三）：空气质量传感器实战 ——KQM6600 模块从协议到代码（串口通信 + 数据解析）
c++·stm32·单片机·嵌入式硬件·架构·硬件架构·嵌入式实时数据库
网易独家音乐人Mike Zhou4 小时前
【嵌入式基础】Keil自动编译脚本及环境变量配置
c语言·stm32·单片机·51单片机·嵌入式·keil
Suifqwu4 小时前
stm32进阶-OTA升级功能的完善
stm32·单片机·嵌入式硬件
YY_Share4 小时前
主板STM32,GD32等MCU电路设计思维-状态提示
stm32·单片机·嵌入式硬件
bai5459364 小时前
智能呼吸灯
stm32·单片机·嵌入式硬件
逐步前行5 小时前
STM32_EXTI_外部中断
stm32·单片机·嵌入式硬件
工控小机6 小时前
STM32远程下载、调试终端介绍
stm32·单片机·嵌入式硬件·物联网
学嵌入式的小杨同学6 小时前
STM32 进阶封神之路（十四）：语音交互实战 ——SU03T 语音识别模块从固件制作到 STM32 控制（串口通信 + 命令响应）
c++·stm32·单片机·嵌入式硬件·架构·硬件架构·ux
热门推荐
01GitHub 镜像站点02Qwen3.5 开源全解析：从 0.8B 到 397B，代际升级 + 全场景选型指南03OpenClaw 使用和管理 MCP 完全指南04UV安装并设置国内源05Claude Code + GLM4.7 避坑指南：解决 Unable to connect to Anthropic services06OpenClaw Control UI安全上下文访问配置07OpenClaw macOS 完整安装与本地模型配置教程（实战版）08本地部署 OpenClaw + DeepSeek-R1 完全指南09小黑课堂计算机二级WPSoffice题库软件下载安装教程（2026年3月最新版）10让 Trae IDE 智能体 “读懂”文档 Excel+PDF+DOCX ：mcp-documents-reader 工具使用指南