5005 CM5IO Mini
关键词
树莓派、CM5核心板、NVME SSD、PoE千兆以太网、RPiOS、Ubuntu、USB3.0、RTC、PWM、DSI、CSI、双HDMI
一、简介
CM5IO mini是一款专为树莓派CM5核心板设计的较为小巧又具备超强延展性的扩展板。具备HDMI、USB3.0、USB2.0、启动用TF、原生千兆、CAM/DISP、RTC接口以及SSD等常规接口。CM5IO mini采用标准40Pin接口，合理的布局使得各种工业接口以及通讯模块可以通过40Pin或内置的USB2.0接口进行扩展，并可通过配套外壳装配成一体化设备。
二、硬件资源
| CM5接口 | DF40HC3.0 |
| 以太网口 | 一路POE千兆以太网，可选配POE功能； |
| USB口 | 两路USB3.2-A口；
四路USB2.0口，其中2路USB-A，2路1.25mm-4P接口； |
| 显示 | 两组CSI/DSI组合接口；0.5mm-22P FPC下接；
两路micro HDMI接口； |
| 存储 | 一路PCIe M.2 M-key，支持NVME SSD，2280/2242，默认焊接2280固定柱，不支持SATA和GNFF； |
| LED | 一盏电源指示灯；
一盏SSD灯； 一盏运行指示灯； |
| 实时时钟 | 一路RTC，1.25mm-2P接口； |
| TF卡座 | 一路TF卡座，仅用于无eMMC的CM5核心板启动系统用； |
| 其他 | 40PIN GPIO，2.54mm-2*20P；完全兼容树莓派5的GPIO引脚；
一路I2C1； 一路PWM风扇接口，1.0mm-4P； 一路开关机按键； |
| 电源 | USB-C，5V3A供电，也是eMMC核心板的烧写口； |
| 尺寸 | 84*120mm；四层板设计；板材通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0； |
| 外壳 | 全铝合金外壳；88*122*39mm； |
三、烧写系统
本文档采用树莓派系统进行测试，使用前请先下载并安装核心板驱动、树莓派镜像烧录器以及树莓派系统：
树莓派系统的版本为2024-11-19-raspios-bookworm-arm64.img.xz，树莓派系统下载地址：
https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit
镜像烧录器的下载地址：
https://www.raspberrypi.com/software/
树莓派CM5核心板的驱动，可以从树莓派官网下载，也可以从我司网站下载，下载地址如下：
http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000641
3.1 eMMC的烧写
带eMMC的核心板，系统只能烧写在eMMC内，此时板载TF卡无法使用。
扩展板的操作：电源USB-C接到电脑，板上的OTG和BOOT跳线用短路帽短上（如下图）。
核心板驱动安装完成后，打开计算机的设备管理器，查看是否有新的USB设备出现，下图中“BCM2712D0 Boot”即识别树莓派CM5：
再从开始菜单的所有程序下，Raspberry Pi下面有个“rpiboot-CM4-CM5 - Mass Storage Gadget”：
打开这个软件，计算机会将eMMC的分区在Windows下分配盘符并显示出来：
稍等片刻，在资源管理器中会出现一个分区（本例中的分区名为bootfs，具体名称视实际情况而不同）：
接下来我们就可以使用树莓派镜像烧录器烧写系统了。
打开树莓派镜像烧录器：
Raspberry Pi Device：选择Raspberry Pi 5；
请选择需要写入的操作系统：
- 选择Raspberry Pi OS(64-bit)，为从树莓派官网下载系统镜像烧写（需联网）；
- 选择Use Custom，则需要自行选择硬盘上已经下载的系统镜像（无需联网）；
储存卡：选择刚才显示出来的分区；
选择完毕后按“NEXT”，建议点击“编辑设置”，将一些参数预设置进烧写软件，之后在系统启动时就不必再次设置，便于使用。
需要使用预设置的按“是”，不需要使用预设置的按“不”，进入下一页。
点击“是”，就开始烧写及验证完整性。
烧写完成后，把短路帽都拔掉，重新上电，启动系统即可。
3.2 TF卡的烧写
核心板如果没有eMMC，则系统将从TF卡启动。
TF卡的烧写步骤与eMMC基本相同，但是无需使用扩展板，只需将TF卡在电脑上烧写，将系统烧录到TF卡内的分区即可。
烧写完毕后，将TF卡插入扩展板（注意扩展板上的boot和OTG口不能有短路帽），上电后即可进入系统。
3.3 SSD的烧写
扩展板板载一路M.2 M-KEY接口NVME SSD，故可以从SSD启动系统，需要CM5核心板不带eMMC。
SSD的烧写步骤与eMMC基本相同，只是无需使用扩展板，将SSD卡通过USB硬盘盒插入电脑，将系统烧录到SSD内的分区即可。
烧写完毕后，将SSD插入扩展板，上电后即可进入系统；注意此时不要插TF卡，BOOT和OTG插针上不要插短路帽。
四、树莓派OS的操作
4.1 测试USB口
4.1.1 USB口识别测试
将若干USB外设接到CM5IO_Mini扩展板的USB口上，如下图所示：
在树莓派终端中执行lsusb，显示如下：
识别都正常
随后输入lsusb -t查看USB口的工作模式是否正常：
Bus 02：为USB 3.0接口，5000M；
Bus 04：为USB 3.0接口，5000M；
Bus 05：为USB 2.0接口，480M。
注意，如果扩展板上的上述USB口不接设备，那lsusb里是不会出现相应的设备编号的。如Bus 005 Device 003在这里是因为接了无线键鼠才会出现，如果不接设备，就不会出现这个编号。
4.1.2 测速USB3.0
将一个NVME M.2硬盘插入SSD转USB硬盘盒，然后将这个硬盘盒插入CM5IO_Mini扩展板的USB3.0-A口，同时在PCIe转M.2接口插上一个NVME M.2硬盘，启动系统，在这两个硬盘之间拷贝大文件，测试结果如下：
| 数据传输方向 | 耗时s | 传输速度MB/s | 包大小MB |
| NVME->PCIe SSD | 5.39 | 379.96 | 2048.00 |
| PCIe SSD->NVME | 6.04 | 339.07 | 2048.00 |
| NVME->PCIe SSD | 28.71 | 356.67 | 10240.00 |
| PCIe SSD->NVME | 41.82 | 244.86 | 10240.00 |
4.1.3 测速USB2.0
将一个NVME M.2硬盘插入SSD转USB硬盘盒，然后将这个硬盘盒插入CM5IO_Mini扩展板的USB2.0-A口，同时在PCIe转M.2接口插上一个NVME M.2硬盘，启动系统，在这两个硬盘之间拷贝大文件，测试结果如下：
| 数据传输方向 | 耗时s | 传输速度MB/s | 包大小MB |
| NVME->PCIe SSD | 35.66 | 57.43 | 2048.00 |
| PCIe SSD->NVME | 56.14 | 36.48 | 2048.00 |
| NVME->PCIe SSD | 238.13 | 43.00 | 10240.00 |
| PCIe SSD->NVME | 281.25 | 36.41 | 10240.00 |
4.2 测试SSD硬盘
4.2.1 SSD硬盘的识别
SSD硬盘做数据存储用，上电启动系统后，在树莓派终端中执行lspci，查看SSD硬盘信息：
然后需要对SSD硬盘进行授权，在File Manager中点击SSD分区，会弹出授权框，填入当前账户的密码进行授权：
注意：点击的第一个分区需要输入密码进行授权，如有其它分区只需要点击即可完成授权。
授权完毕后，在桌面会显示分区：
在树莓派终端中输入df，即可查看SSD硬盘分区信息：
我们可以看到两个SSD分区名为nvme0n1p1、nvme0n1p2。
4.2.2 测试SSD硬盘接口速度（PCIe Gen2）
默认状态下，SSD硬盘运行在 PCIe Gen2下。
安装硬盘测速软件hdparm，在树莓派终端下运行：
sudo apt install hdparm
运行接口测速命令，可多次运行，测试多次硬盘速度：
sudo hdparm -t /dev/nvme0n1
这里运行了5次，具体数据见下：
| 次数 | 传输速度MB/s |
| 1 | 451.19 |
| 2 | 451.40 |
| 3 | 451.51 |
| 4 | 451.50 |
| 5 | 451.52 |
| 平均 | 451.42 |
4.2.3 测试SSD硬盘接口速度（PCIe Gen3）
首先在树莓派OS终端中输入sudo nano /boot/firmware/config.txt，在最后一行加入下列代码：
dtparam=pciex1_gen=3
保存后退出并重启系统，这样就切换到了PCIe Gen3。
运行接口测速命令，可多次运行，测试多次硬盘速度：
sudo hdparm -t /dev/nvme0n1
这里运行了5次，具体数据见下：
| 次数 | 传输速度MB/s |
| 1 | 885.29 |
| 2 | 881.59 |
| 3 | 877.42 |
| 4 | 880.50 |
| 5 | 883.33 |
| 平均 | 881.63 |
可见在PCIe Gen3下的SSD硬盘的接口速度与在PCIe Gen2下的测试数值相比，有明显的提高。
4.2.4 测试SSD硬盘读写速度速度
分别测试SSD硬盘在PCIe Gen2下和PCIe Gen3下的读写速度，结果如下：
PCIe Gen2：
| 数据传输方向 | 耗时s | 传输速度MB/s | 包大小MB |
| SSD->eMMC | 14.17 | 144.53 | 2048.00 |
| eMMC->SSD | 7.88 | 259.90 | 2048.00 |
| SSD->eMMC | 90.74 | 112.85 | 10240.00 |
| eMMC->SSD | 43.84 | 233.58 | 10240.00 |
PCIe Gen3：
| 数据传输方向 | 耗时s | 传输速度MB/s | 包大小MB |
| SSD->eMMC | 13.80 | 148.41 | 2048.00 |
| eMMC->SSD | 7.77 | 263.58 | 2048.00 |
| SSD->eMMC | 90.15 | 113.59 | 10240.00 |
| eMMC->SSD | 43.46 | 235.62 | 10240.00 |
4.3 测试以太网口
将扩展板的网口接上级路由器，执行ifconfig -a，显示如下：
eth0即为原生千兆网口。
我们使用网速测试软件iperf3进行测速。
Windows版iperf3下载：
http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000634
Linux下iperf3安装：
sudo apt-get install iperf3
测速结果为：
client模式为938Mbps左右：
server模式为948Mbps左右：
注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
4.4 测试RTC
CM5核心板自带RTC，扩展板上需外接电池，可在树莓派系统下直接使用。如下图所示：
系统启动后，在树莓派终端中运行：
ls /dev/r*
即可看到RTC设备：
显示当前系统时间的命令是date；
将系统时间从RTC读出的命令是sudo hwclock -r；
将系统时间写入RTC的命令是sudo hwclock -w。
如下图所示：
如果此时正确接上了RTC电池，则断电后RTC内部的当前时间不会消失，否则将会恢复到默认时间（1970年1月1日）。
4.5 测试PWM风扇
安装监测软件s-tui：
sudo apt install s-tui
然后在树莓派终端中运行s-tui，则可以在监测窗口中看到风扇转速的变化：
如果需要自定义风扇的转速和运行的温度范围，请打开终端，运行下列命令：
sudo nano /boot/firmware/config.txt
在文件末尾加入下列语句：
dtparam=cooling_fan=on
dtparam=fan_temp0=50000,fan_temp0_hyst=5000,fan_temp0_speed=255
其中：
fan_temp0=50000，50000为表示温度，这里是50摄氏度；
fan_temp0_hyst=5000，5000表示迟滞温度，这里是5摄氏度；
fan_temp0_speed=255，255表示风扇转速，最高为255。
可以写入多段温度及相对应的风扇转速，每一段另起一行，使用不同的序号数字来区分，例如：
dtparam=fan_temp1=36000,fan_temp1_hyst=5000,fan_temp1_speed=128
4.6 测试DSI
4.6.1 测试树莓派官方第一代液晶屏
我们测试用的液晶屏是树莓派官方第一代液晶屏，接口为CAM/DISP 0，液晶屏需额外独立供电（Micro-USB接口，位于显示屏后部的控制板上），上电启动系统，打开终端，运行下列命令：
sudo nano /boot/firmware/config.txt
在文件末尾加入下列语句：
dtoverlay=vc4-kms-dsi-7inch,dsi0
保存后重启系统，即可使用树莓派官方7寸触摸屏。
如果使用CAM/DISP 1接口，请将dsi0改成dsi1，且需要短接核心板上方的SCL与SDA两个跳线：
4.6.2 测试树莓派官方第二代液晶屏
这里使用的是树莓派官方第二代液晶屏进行测试，液晶屏需额外独立供电（电源接口与扩展板的GPIO的5V和GND相连）。
连接好硬件后，给扩展板上电。等待系统运行后打开终端，运行下列命令：
sudo nano /boot/firmware/config.txt
在文件末尾加入下列语句：
dtoverlay=vc4-kms-dsi-ili9881-7inch,dsi0
保存后重启系统，即可使用树莓派官方二代7寸触摸屏。
如果使用CAM/DISP 1接口，请将dsi0改成dsi1，且需要短接核心板上方的SCL与SDA两个跳线。
4.6.3 注意事项
注意1：如果同时插HDMI显示器和7寸触摸屏，7寸触摸屏有可能变成副屏，只要关机后将HDMI显示器拔掉，再启动系统，7寸触摸屏就会成为主屏。
注意2：添加的语句实际上开启了第二块显示屏，即双屏显示，无论第二块屏的硬件是否安装，系统都有可能认为存在双屏，如果使用PrtScn截图，也会截到双屏的图。甚至还有可能造成系统无法启动。因此如果不需要使用这块屏，建议在config.txt中把这条语句去掉或者注释掉。
4.7 测试CSI
我们使用的是OV5647摄像头，接口为CAM/DISP 0，系统运行后打开终端，运行下列命令：
sudo nano /boot/firmware/config.txt
在文件末尾加入下列语句：
dtoverlay=ov5647,cam0
在实际使用中根据自己的型号进行添加，保存后重启系统，即可使用OV5647摄像头。
如果使用CAM/DISP 1接口，请将cam0改成cam1，且需要短接核心板上方的SCL与SDA两个跳线。
重启后在终端中输入：
ls /dev/video*
即可看到video0设备：
在终端中输入libcamera-hello --camera 0即可打开对应的摄像头浏览：
如果需要拍照，则输入：
libcamera-jpeg -o test.jpg
照片保存在/home/mcuzone目录下（即用户主目录），照片效果如下：
4.8 测试开关机按键
CM5IO_Mini扩展板带有一个开关机按键，开机状态下，按一下按键，弹出关机菜单：
再按一下按键，直接关机；
关机状态下（需接电源）按一下按键，上电开机。
4.9 PoE电源输入
CM5IO_Mini扩展板可选配PoE供电，可提供5V4.5A输出。PoE供电和USB-C电源口供电不可同时使用。
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板载PoE模组参数：
25.5W（5V4.5A） PoE模组，支持IEEE802.3af/at compliant
支持37-57V输入，典型值48V
带过热保护，短路保护，过流保护
1.5KVrms绝缘等级
PSE供电设备要求：
支持IEEE802.3af/at compliant
至少支持30W输出能力
48V输出，1,2+/3,6-供电
4.10 测试HDMI
CM5IO_Mini扩展板具有两个HDMI输出口，支持分别输出图像信号和同时输出图像信号，同时输出图像信号的效果如下：
五、选配件
5.1 内置4G模组
我司配套的4G模块均具有免驱免拨号、系统自动识别、即插即用等功能。4G型号有CAT4 4G、高通4G、高通4G-GPS、ZTE CAT4 4G。其中CAT4 4G和ZTE CAT4 4G，系统均自动识别成eth设备，高通4G/高通4G-GPS均自动识别成usb0。
将4G模块接到CM5IO_Mini扩展板的1.25mm-4p接口：
原生千兆网口接上级路由器，启动系统，在树莓派系统终端下执行ifconfig -a，以CAT4 4G为例，显示结果如下：
执行route，查看路由表，eth1排在第一位，因此此时是通过4G模块上网：
我们ping IP和域名，均成功，说明4G模块工作正常：
打开https://www.speedtest.cn/进行网速测试，结果如下：
注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
5.2 CM5IO_HDMI IN模块
将CM5IO_HDMI IN模块接到扩展板的usb口，如下图所示：
使用OBS软件作为视频捕捉软件，捕捉视频源的图像，并储存为一个分辨率为1080p的视频软件。具体操作见：
5.3 CM5IO-UART
CM5IO_UART模块接到扩展板的40PIN GPIO上，扩展两个带隔离的RS485接口和两个RS232接口，如下图所示：
具体操作步骤，请看：
5.4 CM5IO_UUART
CM5IO_UUART模块是由USB口外扩串口芯片，引出2路RS232和2路带隔离的RS485接口，接到扩展板的usb口，如下图所示：
接口的操作同5.3。
5.5 CM5IO-UART-CAN
CM5IO_UART-CAN模块接到扩展板的40PIN GPIO上，扩展两个RS232和两路带隔离的RS485接口以及两个带隔离CAN接口，如下图所示：
接口使用操作，请参考：
5.6 NVME转2.5G以太网
扩展板反面的M.2接口上接一个SSD转2.5G转接板，以实现一路2.5G以太网口，树莓派官方os免驱，即插即用，自动识别，系统识别成eth1。
5.7 NVME转WiFi7转接板
CM5IO_Mini扩展板反面的M.2接口，接一个NVME转WiFi7转接板，用于扩展WiFI7/6无线网卡。如图所示：
树莓派官方OS需要加载驱动，Ubuntu系统免驱。具体操作看参考：
5.8 温湿度模块
将树莓派专用温湿度模块使用USB线连接至CM5IO_Mini扩展板上的USB接口，如图所示：
启动系统，在终端中执行lsusb，红框处即为连接温湿度模块与树莓派的USB转串口模块：
执行ls /dev/ttyUSB*：
ttyUSB0即为温湿度模块所占用的串口。
打开CuteCom，选择ttyUSB0，开启串口，即可看到有温湿度数据输出：
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