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 LTE、SSD、RPiOS
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，支持NVME SSD；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（其中一路复用1.25mm 4pin接口，可用于内置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.2 M-KEY接口，支持NVME SSD，2242/2280尺寸，默认焊接2280固定柱；
3. 两路USB2.0的MiniPCIE接口，支持LoRa模块，也支持4G LTE模块；
4. 两路USB2.0-A Host主机口，其中一路复用1.25mm 4Pin USB2.0接口；
5. 一路RTC，DS1307，1.5-2p接口；
6. 一路标准HDMI口，支持4K分辨率的；
7、一路4-lans CSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；
8. 一路4-lans DSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；
9. 两路Nano SIM卡座，与4G LTE配套使用；
11. 预留SMA天线座；
12. TF卡座，用于无eMMC的cm4核心板启动系统用；
13. 一路USB-C口，用于emmc的烧写；
14. 引出40PIN GPIO，和树莓派4B的引脚完全兼容；
15. 电源：7-24V DC5.5-2.1宽电压输入；
16. 尺寸：111*135mm，PCB板沉金工艺，无铅生产，PCB板材通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0。
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
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
3.1 TF卡烧写
如果核心板没有eMMC，则系统可从TF卡启动或NVME SSD启动。此处介绍从TF卡启动系统。
3.1.1 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。
3.1.2 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。
烧写完成后，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 eMMC烧写
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。
3.2 SSD硬盘启动
核心板无eMMC，板载原生PCIe的 NVMe SSD，可实现从硬盘启动系统（核心板带eMMC的，不支持从硬盘启动系统）。
硬盘烧写系统的方法和TF卡烧写一样。
2020年5月以后的树莓派CM4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：树莓派CM4只支持NVME SSD，不支持SATA SSD和NGFF SSD;
注意2：优先级最高的启动设备，数字排在最后面，即越靠后的数字，优先级越高。
注意3：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）
前面章节我们提到了SSD做系统启动用，这里SSD测试作为数据存储用。
请先将SSD安装好后再上电（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：这条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中把这条语句去掉。
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)测试
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，1.5mm-2p接口）才能保持数据不会丢失。
先将I2C打开：
左上角树莓派标志—Preferences—Raspberry Pi Configuration—Interfaces 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测试
我们选择的LoRa型号为 E22 400T30E。
4.7.1 两个模块透传模式
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 两个模块通过RS232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 两个模块通过RS485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 单个模块传输
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测试
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。
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测试
这里使用高通4G LTE和ZTE CAT4 4G。
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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