重磅更新 | 先楫半导体HPM_APPS v1.11.0 全新上线6套硬核参考设计方案

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请注意：每个 HPM_APPS 应用示例均依赖特定版本的 HPM_SDK，使用前请查阅对应示例目录中的 README 文件，确认 SDK 版本要求。若需适配其它版本 SDK，可自行修改版本限制完成适配。

1. 三网合一：HPM6750 Combo 开发板多网络融合方案

概述

HPM6750 Combo 开发板是基于 HPM6754 RISC-V MCU 设计的高性能开发平台，板载 4MB Flash，集成了 USB、SDIO WIFI、RGMII 三大网络接口，支持从外置 XPI Octal Flash 启动，为用户提供一站式高性能外设功能与性能评估体验。

核心特性

三网合一—— 同时支持 RGMII 有线以太网（~900Mbps）、SDIO WIFI（~100Mbps）、USB 4G 蜂窝网络，三路独立运行，互不干扰

XPI Octal Flash 启动—— 板载 XPI0/XPI1 8线接口，支持从外置 Octal Flash 启动代码，8线模式最高频率 133MHz，DDR 传输，相比传统 4线 Flash 带宽翻倍

双 USB 接口—— 内置高速 PHY，USB0/USB1 均支持 Device 和 Host 模式，基于 CherryUSB 协议栈，可根据应用场景灵活配置

WIFI 高速无线—— AP6256 模块，SDIO 接口，2.4G/5G 双频，实测 TCP 速率可达 90Mbps 以上

RGMII 千兆有线—— 基于 RTL8211F PHY，实测 TCP 速率可达 900Mbps

多网融合架构

三路网口均通过 lwIP 协议栈统一管理，各自独立 MAC/IP，支持 ping、iperf 等网络性能测试。用户可通过-S选项指定网卡进行定向通信。

性能实测

WIFI iperf TCP 吞吐测试：

RGMII iperf TCP 吞吐测试：

典型应用场景

• 工业边缘网关（有线+无线+蜂窝多网冗余）
• 需要灵活网络接入的嵌入式设备
• 多网融合通信终端

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2. 八层硬件合成：基于 HPM6800 的多图层仪表盘方案

概述

本方案基于 HPM6800EVK 平台的 LCDC（LCD 控制器）8 层硬件合成能力，结合 LVGL、FreeRTOS 与 PDMA，实现了一套面向车载数字仪表的八图层 Dashboard演示工程。与传统"整屏重绘"方案不同，本方案将仪表盘拆分为 1 个全屏基础层 + 7 个局部硬件叠加层，高频动画元素独立成层，大幅降低无效刷新面积与内存带宽压力。

核心原理：硬件图层合成

LCDC 支持最多 8 个硬件图层，各层独立帧缓冲、独立刷新，最终由硬件按图层顺序进行 Alpha 混合输出。这意味着：

• 局部变化不触发全局重绘 —— 指针旋转只刷新指针所在小图层
• 各层独立帧率 —— 背景层几乎不刷新，指针层可按 60fps 独立更新
• 透明叠加 —— 各子层采用 ARGB8888 格式 + src_over 混合模式

效果动图：

注：以下动图仅作效果演示，帧率受 GIF 录制影响，不代表实际运行性能。

八图层划分

渲染链路

LVGL 绘制 → PDMA 脏区搬运 → D-Cache 同步 → LCDC 硬件合成 → 显示输出

• 主层 Direct Render：LVGL 直接在全屏 buffer 上组织画面，PDMA 仅搬运脏区域到 LCDC 扫描缓冲，减少 CPU 逐像素拷贝
• 子层 Full Render：子层面积小，整层重绘成本可控，flush 时直接切换双缓冲
• 三缓冲设计：主层采用 3 组全屏缓冲（2 组绘制 + 1 组扫描），兼顾性能与显示稳定性

方案价值

• 降低无效像素搬运：高频动画仅占用对应子层极小带宽
• 提升动画流畅度：各层独立刷新，无互相干扰
• 便于扩展维护：显示问题可按层定位，新增动态控件只需增加子层
• 适用场景：车载仪表盘、智能座舱 HMI、工业 HMI 等大分辨率显示场景

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3. 显控一体：EtherCAT 主站电机控制方案

概述

本方案基于 HPM6800EVK 平台，融合开源 CherryECAT 主站协议栈与 LVGL 图形界面，实现了一套EtherCAT 主站 + 触摸屏显控一体的电机控制解决方案。方案支持 CIA402 标准协议（CSP/CSV 模式），配合实时波形显示与触摸交互，为工业运动控制提供"一站式"开发参考。

核心特性

EtherCAT 主站

• 基于 CherryECAT 开源协议栈，异步队列式传输，单次可携带多个 Datagram
• 零拷贝技术：直接使用 ENET 收发缓冲区，减少内存复制
• 支持热插拔与从站自动扫描
• 分布式时钟（DC）同步

CIA402 电机控制

• 支持 CSP（位置控制模式）、CSV（速度控制模式）
• 多台从站设备切换控制
• 位置/速度/状态实时反馈

LVGL 触控界面

• 弧形滑块调节目标速度/位置
• Chart 图表实时显示运动曲线（期望值 vs 实际值双色对比）
• 启动/停止、正转/反转快捷操作按钮
• 设备列表与状态实时显示

系统架构

系统启动后可自动扫描 EtherCAT 总线上的伺服驱动器，在触摸屏上呈现完整的设备信息与控制界面。波形图实时绘制电机运动轨迹，期望值与实际值以不同颜色叠加显示，方便调试与性能分析。

典型应用场景

• 工业机器人运动控制器快速原型
• 多轴伺服系统显控一体终端
• CNC/包装/印刷等领域的 EtherCAT 主站评估

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4. 多轴随动：HPM6E00 机器人伺服驱动方案（ROBOT3.0）

在工业多轴运动控制中，如何用一颗 MCU 同时搞定 EtherCAT 从站通信、高精度电机控制与实时调试？HPM6E_ROBOT_SERVO3.0 给出了答案。

概述

本方案基于先楫HPM6E00 系列 RISC-V MCU，采用自研闭环步进电机算法库，提供了一套完整的闭环步进伺服驱动参考实现。

HPM6E00 芯片为运动控制场景深度定制：内置 3 端口 EtherCAT 从站控制器（ESC），支持多设备级联；16 通道高分辨率 PWM、4 通道 Sigma-Delta 信号接收单元、16 路 16 位 ADC，以及 PLB 可编程逻辑模块，将原本需要多颗芯片协同的功能集成于一身。

方案关键指标：输入电压 24V，最大输出电流 13A，最高转速 900rpm。开放电机调整参数与核心函数接口，方便用户针对不同规格电机快速适配。

硬件平台

方案以达妙 DM-J6006-2EC作为示例电机，主要接口如下：

电机接线关系与电气参数：

核心功能

EtherCAT 从站与 CIA402 协议

• 基于内置 ESC 实现 EtherCAT 从站通信，支持 CSP（位置控制）、CSV（速度控制）两种模式
• 支持 FoE（File over EtherCAT）固件升级，现场即可更新固件，无需额外烧录工具

闭环步进控制算法

• 先楫自研闭环算法，以步进电机的成本实现接近伺服的动态性能
• 电流环参数自动整定：在线辨识 PI 参数，无需手动调参
• 惯量辨识：自动辨识负载惯量，优化加速与制动响应
• 3P3Z 前馈控制：提升速度环带宽，增强抗扰动能力

完善的系统保护

• 硬件过流保护、过压/欠压保护、飞车保护，确保设备长期稳定运行

HPM Monitor Studio 实时调试

• 通过 UART 连接上位机，以波形方式实时监测和调整控制变量，显著提升调试效率

典型应用场景

• 工业机器人多轴关节伺服驱动
• 多轴协同运动控制（级联 EtherCAT 从站）
• 需要现场固件升级与远程调试的分布式驱动节点

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5. 协议互通：EtherCAT-CAN 网关全链路通信方案

概述

本方案由三个协同模块组成，实现了从EtherCAT 主站 → ECAT-CAN 网关 → CAN 终端设备的完整协议转换与数据互通链路，为先楫 MCU 在工业现场总线融合场景提供端到端的参考实现。

系统组成

主站模块（Gateway ECAT Master）—— HPM6E00 Full Port 硬件平台

• 基于 CherryECAT 主站协议栈
• 3.5 寸 LCD 屏幕显示通信状态
• 支持 Trigger（按键触发）和 Cycle（周期循环）两种发送模式
• 可配置 CAN 参数：波特率（10k~1M）、帧模式（标准/扩展）、数据帧/远程帧
• 实时显示发送/接收帧数、数据内容

网关模块（Gateway ECAT2CAN）—— HPM6E00EVK 平台

• 基于 ETG 5001.5000 标准网关协议，实现 EtherCAT 报文与 CAN 报文双向转换
• 支持 Module Slot 方式动态修改 PDO 映射
• 通过 CoE（CANopen over EtherCAT）对象字典配置 CAN 波特率、发送模式
• 支持标准帧/扩展帧/远程帧/数据帧全类型转换

CAN 终端设备（Gateway Device）—— HPM5E00EVK 平台

• 接收 ECAT 主站经网关转换后的 CAN 报文
• 数码管实时显示接收报文数量
• 通过按键将当前计数值以 CAN 报文回传至主站
• 支持 USB Shell 命令行调试

通信流程

1. 主站上电后扫描并配置从站（网关），进入 OP 状态
2. 主站通过 Trigger 或 Cycle 模式发送数据，经网关转换为 CAN 帧发送至终端设备
3. 终端设备数码管实时累加显示接收帧数
4. 按下终端设备按键，当前计数值以 CAN 帧回传网关，网关转换为 ECAT 报文上报主站
5. 主站 LCD 同步显示回传数据，两端数据一致

核心指标

典型应用场景

• 工业现场 EtherCAT 网络与传统 CAN 设备互联
• 老旧 CAN 设备接入 EtherCAT 总线系统
• 分布式 CAN 节点数据汇集与上报

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6. 巧用硬交换：基于 TSN 交换引擎的多端口以太网通信方案

概述

本方案基于 HPM6E 系列 MCU 内部集成的 TSN 硬件交换引擎（TSW），巧妙地使用 ENET 外设代替 TSW 的内部 CPU PORT，构建了一个支持千兆线速交换的多端口以太网通信系统。

方案的核心设计在于：TSW 共有 P1、P2、P3 三个外部端口，其中 P1/P2 经 PHY 引出作为对外网口，P3 端口则通过板上电阻直连到 MCU 的 ENET MAC，将 ENET 作为内部的"CPU 端口"使用。这样既保留了 TSW 的硬件二层交换能力，又规避了内部 CPU PORT 的性能瓶颈，实现了真正的千兆级 CPU 接入。

核心原理：为什么用外部 P3 代替内部 CPU PORT？

TSN 交换模块通常提供一个内部 CPU PORT 用于与 MCU 交互数据，但该内部端口存在速率受限的问题。本方案另辟蹊径：

• TSW P3 → 电阻直连 → ENET MAC：借助外部 TSW 端口（P3）通过物理连线接入 ENET，以 ENET 作为 CPU 侧的网络接口
• TSW P1/P2 之间实现纯硬件二层线速转发，CPU 完全不参与数据面交换
• 需要 CPU 处理的帧（匹配本机 MAC 或广播帧）由 TSW 转发至 P3，经 ENET 进入 lwIP 协议栈

硬件编号说明（见上板图）：

双模式组网

单网卡模式—— 设备对外呈现单一网络身份

• 一套独立 MAC/IP，两个对外端口均可通信
• P1/P2 之间硬件交换，适用于设备串联组网，无需外部交换机

双网卡模式—— 设备对外呈现两个独立网络身份

• 两套独立 MAC/IP，各自绑定一个对外端口
• 适用于网络隔离场景（如内外网分离），各端口独立子网与网关

核心特性

• 千兆线速交换：P1/P2 之间硬件二层转发，不占 CPU 带宽；TSW 与 ENET 均工作于 RGMII 模式，P3-ENET 链路同样为千兆
• 10/100/1000M 自适应：自动协商速率，千兆时关闭存储转发以降低延迟，百兆以下开启存储转发
• FreeRTOS + lwIP：支持多任务并发，TCP/UDP Echo 测试验证
• SSD1306 OLED 显示：板载 OLED，集成 U8G2 图形库，默认显示 HPM Logo
• USB Shell 命令行：支持交互式调试与配置

典型应用场景

• 工业以太网环网/线形拓扑中的交换节点
• 需要网络隔离的嵌入式网关（双网卡模式）
• 以极低成本替代独立交换机芯片的通信终端

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完结

在使用过程中有任何疑问或者建议，欢迎在 github 对应项目中提交。