一、项目概述

本项目为开源第四代单对线以太网（SPE，Single Pair Ethernet）交换机完整硬件工程，由开发者 Ben Smith 基于 KiCad v10 完成全套原理图与 PCB 设计，采用 GPL 3.0 开源协议开放全部硬件资料，配套独立开源固件仓库 unified-switch-firmware，是一套同时兼容车载 1000BASE-T1、长距离工业 10BASE-T1L，集成 PoDL 单线远程供电、IEEE PTP 精确时钟、STP 生成树协议的二层工业 / 车载以太网交换平台。

项目解决传统多对线以太网布线笨重、成本高、无法长距离传输的痛点，实现单根双绞线同时传输高速数据与直流供电，适用于车载车载网络、工厂传感器组网、分布式工业设备互联等场景。

二、整体硬件架构

1. 核心主控与交换单元

1. 二层交换核心：NXP SJA1105 五端口车载以太网交换芯片，负责全部端口数据转发、VLAN 隔离、流量调度，通过 SMI 管理总线对接主控制器。

2. 主管理 MCU：STM32H573IKQ

   • 通过 RMII 接口与交换芯片通信，下发 / 接收交换机管理报文；

   • 实现 STP 生成树协议、IEEE PTP 精密时间同步、设备故障诊断、网络状态上报；

   • 作为整机逻辑中枢，统筹端口数据、时钟同步、整机状态监控。

3. PoDL 供电隔离辅 MCU：STM32H503BU

   • 独立管控全部端口远程供电输出逻辑；

   • 通过光耦隔离 UART 总线与主 MCU 通信，实现电源域、信号域电气完全隔离，大幅提升工业、车载场景抗电磁干扰能力。

2. 五端口以太网硬件规格

整机搭载 5 路差异化以太网端口，覆盖高速车载、长距工业、本地管理三类需求：

三、核心特色技术：PoDL PSE 单线远程供电

1. 技术原理区别于传统 PoE

标准以太网 PoE 利用网线空闲差分对单独供电，而 SPE 仅存在一对差分数据线，本设计采用差分模式扼流圈 (DMC)，将直流电源直接叠加在数据差分线上，在同一根双绞线同步传输数据与电力；设备作为 PSE（供电端设备），仅向外输出电能，无法通过网线自供电。

2. 分端口供电实现方案

1. Port1、Port2（1000BASE-T1 高速口）

   单口额定输出电流 1A，采用标准检测流程：线缆先输出 14mA 检测电流，识别线缆负载电压区间在 4.05V~4.55V 后，自动开启 24V 完整供电；供电仅支持线缆单侧取电，适配车载终端设备。

2. Port3（10BASE-T1L 长距工业口）

   定制化用户级 PoDL 实现，总线基准电压 6.5V，设备功耗与总线压降线性对应（负载每消耗 1mA 电流，总线压降 1mV），系统检测负载阈值后切换全功率输出，适配低功耗远距离工业传感器。

3. 隔离安全设计

   供电控制 MCU 与整机主 MCU 之间采用光耦隔离通信，数据信号、供电电源完全电气分割，规避大功率供电对以太网信号的干扰，满足车载、工业严苛 EMC 电磁兼容要求。

四、配套硬件工装与工程文件

1. 完整开源文件目录

• pcbs：交换机主板 PCB、测试工装 PCB 完整 KiCad 工程；

• docs：硬件勘误表 Errata、测试工装原理图、设计说明文档；

• gitmodules：外部元件库依赖配置；

• LICENSE：GPL v3.0 开源协议，支持商用二次开发，但衍生硬件工程需同步开源。

2. 专用测试工装 Test Rig

配套独立测试工装 PCB，工装引脚可直接对接交换机主板底部焊盘，无需额外焊接排座，可直连调试器完成芯片烧录、端口信号测试、PoDL 供电性能验证，大幅简化开发调试流程。

3. 版本迭代说明

五、项目应用场景

1. 车载电子网络

   兼容车载标准 1000BASE-T1，可作为车内车载网关交换机，连接车载摄像头、雷达、车身控制器，单线布线减轻整车线束重量。

2. 工业自动化传感网络

   Port3 支持千米级 10BASE-T1L 长距传输，搭配 PoDL 单线供电，无需为现场传感器单独布设电源线，降低工厂布线成本。

3. 开源硬件学习平台

   完整开放原理图、PCB、芯片选型、供电电路设计，覆盖车载以太网、SPE 单线通信、PoDL 远程供电、PTP 时钟同步、二层交换全套技术，适合硬件工程师、自动化专业学生学习复现。

4. 分布式小型物联网网关

   适用于户外、狭小空间设备组网，单双绞线同时传输数据与供电，减少布线空间占用。

六、配套开发资源

1. 固件配套：交换机业务逻辑、端口控制、PTP 时钟驱动存放于独立开源仓库 unified-switch-firmware，软硬件协同开发；

2. 原厂参考资料：工程内置芯片手册、TI PoDL 官方设计白皮书、IEEE 802.3cg/802.3bu SPE 标准文档、电源电感、差分扼流圈器件选型资料；

3. 勘误文档：记录硬件迭代过程中发现的缺陷与修复方案，为二次开发提供避坑参考。

七、项目优势总结

1. 全开源软硬一体方案：硬件工程无加密，配套开源固件，支持自由复刻、修改、商用二次开发；

2. 多速率端口兼容：同时覆盖车载高速 1Gbps、工业千米低速 10Mbps，单板适配多类场景；

3. 集成隔离式单线供电：自研 PoDL PSE 电路，单网线供电 + 数据，大幅简化现场布线；

4. 高精度工业级时钟：原生支持 IEEE PTP 精密时间同步，满足自动化、车载时序控制需求；

5. 完善调试生态：配套专用无插座测试工装，降低开发、测试门槛。

八、License

GPL-3.0 license

九、项目地址

https://github.com/ben5049/switch-v4-hardware