2007 CM4 LoRa 4G（LoRa及4G接口）

关键词

树莓派、Raspberry Pi、LoRa、CM4核心板、系统烧写、4G、SSD、RPiOS、RS232、RS485

一、简介

CM4_LoRa扩展板基于CM4核心板设计，扩展两路Mini PCIe接口用于连接LoRa模块（同时兼容4G模块）。一路PCIe M-KEY接口。一路RTC。其它为CM4标准资源，包括CSI1、DSI1、原生千兆、标准HDMI、启动用TF卡槽、40Pin扩展接口、3.3V和5V风扇插头，以及2路USB2.0-A和1路1.25mm 4pin接口。USB用于内部4G设备连接。可通过USB-C接口用于eMMC烧写。扩展板采用DC5.5接口，支持7-24V电压输入。

二、硬件资源

1. 一路原生千兆网口；

2. 一路PCIe M-KEY接口；

3. 一路支持4K分辨率的标准HDMI口；

4. 两路USB2.0主机口；

5. 一路内置1.25mm 4Pin USB2.0接口；

6. 一路USB-C烧写口；

7、一路CSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；

8. 一路DSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；

9. 两路RS232接口；

10. 两路RS485接口；

11. 两路Nano SIM卡接口；

12. TF卡座；

40pin引脚定义从左到右依次为：

5V

5V

GND

G14

G15

G18

GND

G23

G24

GND

G25

G08

G07

IDSC

GND

G12

GND

G16

G20

G21

3V3

G02

G03

G04

GND

G17

G27

G22

3V3

G10

G09

G11

GND

IDSD

G05

G06

G13

G19

G26

GND

三、系统烧写及设置

3.1 概述

本文档采用树莓派OS进行测试。

树莓派OS的版本为2024-10-22-raspios-bookworm-arm64.img.xz，树莓派OS下载地址：

https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

3.2 从TF卡启动

如果核心板没有eMMC，则系统将从TF卡启动。

3.2.1 使用树莓派镜像烧录器烧写

首先在Windows端安装树莓派镜像烧录器，下载地址：https://www.raspberrypi.com/software/

安装完毕后将TF卡插入读卡器，读卡器插入PC的USB口，然后打开软件：

Raspberry Pi Device：选择Raspberry Pi 4；

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：选择所需烧入的TF卡（即插在PC的USB接口的卡）；

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，烧写完毕后按提示取下卡即可。

以上介绍的是烧写树莓派OS，烧写Ubuntu系统或者OpenWrt系统也是用类似的操作，只是在“请选择需要写入的操作系统”时，需要选择Use Custom，然后选择预先下载的镜像即可。

3.2.2 使用balenaEtcher烧写

首先在Windows端安装balenaEtcher，下载地址：https://etcher.balena.io/#download-etcher

将TF卡插入读卡器，读卡器插入PC的USB口，然后打开软件：

从文件烧录：选择预先下载的树莓派OS或者Ubuntu系统镜像；

选择目标磁盘：选择所需烧入的TF卡（即插在PC的USB接口的卡）；

然后点击“现在烧录！”，就开始烧录了，等待烧录完毕即可。

3.2.3 启动系统

将TF卡从读卡器中取下，塞进扩展板的TF卡卡槽，上电后即可进入系统。

3.3. 从eMMC启动

如果核心板具有板载eMMC，则系统将会忽略TF卡，而从eMMC启动。

要烧写系统到eMMC，首先需要在PC上安装驱动包，下载地址：

http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000623

安装后使用跳线帽短接扩展板BOOT脚（在CM4核心板下面）。

使用USB Type A-C数据线将扩展板上的USB OTG接口（即扩展板的两个USB-A口之间的USB Type-C口）连接至电脑。

连接上电脑之后，打开计算机的设备管理器，查看是否有新的USB设备出现。在下图中的是名称为“BCM2711 Boot”的USB设备：

PC的开始菜单的所有程序下，Raspberry Pi下面有个rpiboot：

打开这个软件，计算机会将eMMC或者TF卡格式化并分区：

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balenaEtcher软件对这个分区进行烧写了。

打开balenaEtcher软件，第一项点击“从文件烧录”，选择你要烧录到eMMC的文件，第二项选择上面的那个bootfs分区，然后点击“现在烧录”，就开始烧录文件了：

等烧写完成后，将之前插上的跳线帽拔下来，然后重新给系统上电，待系统启动即可。

3.4 从SSD硬盘启动

树莓派4仅支持PCIe NVMe协议接口的SSD。

2020年5月以后的树莓派4固件均已支持从SSD启动系统，如果需要查看固件版本，请在树莓派终端中执行：

vcgencmd bootloader_version

如果固件日期在2020年5月之前，请按此步骤进行升级。

将SSD插入一个M.2（PCIe NVMe协议）转USB读卡器，将其接到PC上，使用与在TF卡上烧写镜像同样的方法烧写系统镜像到SSD，然后将SSD取下，插回扩展板，取下原本用来启动系统的TF卡并上电启动系统即可。

如果需要自定义启动顺序，请打开树莓派OS的终端，输入sudo rpi-eeprom-config --edit，找到BOOT_ORDER一行：

按照下列启动顺序的说明进行修改：

即图示的BOOT_ORDER=0xf25641表示启动顺序为SD（TF）卡、USB-MSD、NVMe（SSD）、BCM-USB-MSD、网卡，大家可以按照自己的需求设置启动顺序。

然后保存退出并重启。

注意1：优先级最高的启动设备，数字排在后面，即越靠后的数字，优先级越高。

注意2：这个文件编辑后保存在CM4核心板的EEPRom中，因此如果不更换CM4核心板，只是更换系统的话，是不需要再次编辑的。

四、树莓派OS下的硬件测试

4.1 原生千兆网口测试

我们将网线插入原生千兆网口，系统会自动获取IP，打开终端，运行ifconfig -a，查看ip地址：

可见获取的ip地址为192.168.8.101。

为了操作方便，建议使用PC端的SSH软件连接系统并进行终端操作，我们使用与树莓派的无线网卡的IP地址在同一网段内的PC，通过MobaXterm进行连接：

连接后，大部分操作都可以通过PC端的MobaXterm进行，使得整套硬件系统可以脱离显示器运作。以下测试操作将通过MobaXterm在PC端进行演示。

安装测速软件iperf3：

sudo apt install iperf3

然后我们使用iperf3进行测试：

原生千兆以太网测速结果，client模式为943Mbps左右

server模式为949Mbps左右：

注意：原生千兆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。

4.2 PCIe M-KEY测试（SSD测试）

关闭扩展板电源，将SSD安装好后重新上电（接口在扩展板背后）。

在树莓派OS中对SSD分区进行授权：

在终端中输入ls /dev，即可看到硬盘加载：

安装硬盘测速软件hdparm：

sudo apt install hdparm

运行命令，可多次运行，测试多次硬盘速度：

sudo hdparm -t /dev/nvme0n1p1

可见SSD硬盘的接口速度约为350MB/s左右。

注意：测试速度受网络状况、硬盘质量、硬盘上的文件存储情况等多种因素影响，以上测试结果仅供参考，不作为实际产品的最终参数。

4.3 DSI测试

首先使用22Pin 0.5mm间距转15Pin 1mm间距的转接板和相应的FPC排线，将树莓派官方的7寸触摸屏与扩展板上的DSI接口相连接，然后用一根Micro-USB线给触摸屏供电，注意，树莓派触摸屏不用Micro线独立供电的话是无法使用的，切勿忘记。

连接好后，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-7inch

保存后重启系统，即可使用树莓派官方7寸触摸屏。

注意：这句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，在某些软件如全屏截图（PrtScn）中都会显示双屏，如果不需要使用这块屏，建议在config.txt中把这句语句去掉。

4.4 CSI测试

首先将摄像头连接到扩展板的CSI1接口（本文档使用OV5647摄像头），连接好后，给板子上电。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=ov5647,cam1

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。

重启后在终端中输入：

ls /dev

即可看到video0设备（插一个摄像头显示video0，如果有两路CSI，并插两个摄像头显示video0、video1，和插在哪一路CSI无关）。

在终端中输入libcamera-hello --camera 0即可打开对应的摄像头浏览（camera 0对应dev中的video0）。

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：

4.5 USB2.0测试

扩展板上电启动后我们将U盘插入USB2.0接口，输入lsusb查看USB2.0hub是否正常识别，随后输入lsusb -t查看USB2.0工作模式是否正常：

两处红框表示USB2.0hub已正常识别，并且U盘工作在480M下，因此USB2.0工作模式也正常。

4.6 RTC(DS1307)配置

注意：RTC芯片需要外接电池（电池接口在CM4核心板下面，BOOT脚右边）才能保持数据不会丢失。

本扩展板使用DS1307作为RTC芯片。配置RTC之前，我们需要先将I2C打开：

左上角树莓派标志—Preferences—Raspberry Pi Configuration—Interfaces

将I2C打开，如图所示：

然后编辑config.txt：

sudo nano /boot/firmware/config.txt

在文件末尾加入下列语句：

dtoverlay=i2c-rtc,ds1307

保存后退出，重启系统，在树莓派终端中输入ls /dev，即可看到RTC设备：

将系统时间写入DS1307的命令是sudo hwclock -w；

将系统时间从DS1307读出的命令是sudo hwclock -r。

如下图所示：

4.7 LoRa(E22 400T30E)测试

4.7.1 两路LoRa模块互传信息

本扩展板拥有两路LoRa接口，本文通过配置两路模块为透传模式进行演示。

将两路LoRa模块安装好（分别插入4G_A接口和4G_B接口），在默认情况下，模块处于休眠模式，将各自模块前的M0、M1通过短路帽分别短接即可激活模块并设置为传输模式，设置完毕后上电启动系统。

输入ls /dev，查看两路串口设备，分别是ttyUSB0和ttyUSB1：

安装命令行串口软件minicom：

sudo apt install minicom

或者图形化串口软件CuteCom：

sudo apt install cutecom

建议使用CuteCom，图形化界面便于操作。下面以CuteCom为例。

打开两个CuteCom窗口，分别连接ttyUSB0和ttyUSB1，在一个窗口中输入信息，则另一个窗口就输出所输入的信息：

4.7.2 LoRa模块A与LoRa模块B通过各自RS232接口进行信息相互传输

注意：LoRa模块能否实现与扩展板的RS232、RS485接口数据传输，依赖于LoRa模块本身是否具备该功能，本扩展板的RS232、RS485接口适配于E22 400T30E LoRa模块。

将RS232_A、RS232_B各自通过USB转RS232模块分别连接到PC，然后在这两个接口之间进行数据收发，结果如下：

说明两个本身相互独立的RS232接口，现在通过两个LoRa模块建立了传输通道，相互之间可以传输数据。

4.7.3 LoRa模块A与LoRa模块B通过各自RS485接口进行信息相互传输

将RS485_A、RS485_B各自通过USB转RS485模块分别连接到PC，然后在这两个接口之间进行数据收发，结果如下：

说明两个本身相互独立的RS485接口，现在通过两个LoRa模块建立了传输通道，相互之间可以传输数据。

4.7.4 LoRa模块A与RS232_A、RS485_A接口进行电平转换

若要LoRa模块与RS232、RS485接口进行电平转换，则需搭配USB转RS232、RS485模块将LoRa模块与PC进行连接。下方的RS232_A、RS485_A接口对应右侧的4G_A接口（ttyUSB1）。

将RS232_A与PC端通过USB转RS232模块连接，然后通过串口工具分别在树莓派端和PC端互相收发数据：

树莓派端/PC端：

将RS485_A与PC端通过USB转RS485模块连接，然后通过串口工具分别在树莓派端和PC端互相收发数据：

树莓派端/PC端：

4.7.5 LoRa模块B与RS232_B、RS485_B接口进行电平转换

上方的RS232_B、RS485_B接口对应左侧的4G_B接口（ttyUSB0）。

将RS232_B与PC端通过USB转RS232模块连接，然后通过串口工具分别在树莓派端和PC端互相收发数据：

树莓派端/PC端：

将RS485_B与PC端通过USB转RS485模块连接，然后通过串口工具分别在树莓派端和PC端互相收发数据：

树莓派端/PC端：

4.8 测试4G模块

4.8.1 单4G模块测试（高通4G LTE）

本扩展板兼容4G模块，本节将测试高通4G LTE模块。

注意：本扩展板不支持SIM卡热插拔。

将4G模块插入4G_A接口或4G_B接口（如果M0、M1跳线已短接，请取下跳线帽），然后在模块插槽下方的SIM卡槽插入SIM卡，启动系统，在树莓派终端中执行lsusb，红框处即为4G模块：

本模块的ID为05c6 90b6，记录下这个ID值。

执行ifconfig -a，查看4G模块的网络状态，可见已经正确获得了IP：

获得IP后ping外网地址：

4.8.2 使用AT命令

使用下列命令打开ttyUSB串口，其中echo后面的值就是之前记录的ID值：

sudo modprobe option

sudo sh -c 'echo 05c6 90b6 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'

执行上述两条命令之后执行：

ls /dev

此时应该能看到dev设备下有ttyUSB0-3两个设备：

通过minicom打开AT命令串口：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB0

（注意：使用哪个串口，应以在进入此串口后，可输入运行AT命令，显示不乱码，不乱跳结果为准）

下面以minicom为例，如果需要查看回显，请键入命令：ate1，然后回车，继续键入其它命令，回车可以看到结果。

用AT+CPIN？来检查SIM是否正常插入并识别；

用AT+CSQ来检查信号强度，第一个值是0-31，需要25以上才算信号质量良好；

用AT+COPS?来检查注网情况，双引号内是运营商代码，最后一个数字是网络模式，7代表4G。

如果需要将4G模块的IP改为直接获取公网IP，请执行：

AT+GTIPPASS=1

常用AT命令：

1. 检查SIM卡是否识别到：

at+cpin?

返回ready表示卡已识别，返回error要检查硬件

2. 检查天线信号质量：

at+csq

返回值在26-31表示信号OK，信号满格31；返回值在20-25表示信号勉勉强强；返回值在20以下表示信号比较糟糕或者天线没接

3. 检查注网情况：

at+cops?

正常应该返回运营商代码和7，7代表4G。

注意，以上命令只有at+csq不要加问号，另外两条命令需要加问号。

4. 查看4G模块的IMEI码：

at+cgsn

5. 重启4G模块（有时候如果重插SIM卡，热插拔不一定管用，可以用这个reset命令来复位模块）：

at+reset

6. 关闭射频：

at+cfun=0

开启射频：

at+cfun=1

上述两条命令成对使用，可以在不重启4G模组的情况下让模组重新注网。

4.8.3 双4G模块测试（高通4G LTE+ZTE CAT4）

若同时插入两个4G模块，识别情况如下：

第一个模块为ZTE CAT4，第二个模块为高通4G LTE。

执行ifconfig -a，查看4G模块的网络状态，可见已经正确获得了IP，其中eth1为ZTE CAT4，usb0为高通4G LTE：

分别测试通过这两个4G模块ping外网地址：

ping www.mcuzone.com -I eth1

ping www.mcuzone.com -I usb0

4.9 远程控制

本节介绍如何使用远程控制软件，远程控制成功后能控制LoRa模块。

扩展板接4G和LoRa模块，并确保4G模块能够正常联网。

4.9.1 使用Raspberry Pi Connect进行远程控制

Raspberry Pi Connect是树莓派官方出品的远程控制软件，同时支持远程桌面和远程SSH，详情请参阅下列链接：

使用Raspberry Pi Connect远程控制树莓派OS

4.9.2 使用VNC软件进行远程控制

在VNC官网下载对应的Windows版本，下载地址：https://manage.realvnc.com/en/download

选择Windows版本：

下载完毕后安装VNC软件，一路默认即可：

安装完毕后注册新用户（新注册的免费用户可以试用半个月，如果有账号请直接登录）：

填写相关信息后进行注册：

注册成功后，在弹出的窗口中记录下这个VNC Password，然后点击“Lanuch”：

这样就进入了VNC的主界面了：

启动树莓派系统，进入树莓派OS桌面，点击左上角树莓派标志—Preferences—Raspberry Pi Configuration—Interfaces

将VNC打开，如图所示：

在PC端的VNC窗口中，点击菜单“Files - New connection...”：

输入树莓派OS的IP，自定义一个Name，然后点击“OK”：

回到VNC窗口，点击刚才建立的新连接：

点击“Continue”

输入树莓派OS的用户名和密码：

这样，我们就进入了树莓派OS的桌面，可以在此远程控制树莓派OS：

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