2001 RPi CM4 Ultra扩展板

关键词

树莓派、CM4核心板、2.5G以太网、NVME SSD、WiFi6、5G、RPiOS、eMMC、OpenWrt、视频采集、

一、简介

CM4_Ultra扩展板是一款基于树莓派CM4核心板设计的扩展板，将CM4自身的一路PCIe通过Switch芯片，一扩四，扩出4路PCIe。CM4_Ultra扩展板板载一路PCIe M.2 M-KEY接口用于接NVME SSD，一路PCIe 2.5G网口，一路PCIe M.2 A-KEY 用于接WiFi6以及一路PCIe扩USB3.0，其中一路USB3.0接一个M.2 B-KEY接口用于外扩5G；扩展板支持所有版本的树莓派CM4核心板；扩展板口理想用于各种海量数据高速采集，处理，通讯的应用场合。比如WiFi6测试终端，远程图像视频采集系统，直播推流，车机，类TBOX的车载数据接入设备，融合媒体播放器，人脸识别，软路由，网关，远程图传，边缘计算等等。

二、硬件资源

▶ 供电：一路DC直流输入，宽电压7-24v，DC5.5-2.1端子；

一路USB-C 5V3A，支持PD充电器；两路电源不可同时使用；

▶网络：一路原生千兆网口；

一路由PCIe支持的2.5G以太网口（RTL8125芯片);

一路USB3.0的M.2 B-KEY接口，用于接5G,Nano SIM卡座，板载4路SMA天线座；

一路PCIe M.2 A-KEY接口，用于外扩WiFi6;

▶存储：一路PCIe M.2 M-KEY接口，支持2280尺寸的NVME SSD固态硬盘，不支持SATA/GNFF硬盘；

一路TF卡座，用于lite版本的树莓派CM4核心板启动系统用；若用emmc的cm4核心板，此TF卡将不可用；

▶USB口： 两路USB3.0-A主机口；

一路USB OTG口（USB-A）也是eMMC核心板的烧写口；

一路USB2.0口，1.25mm-4P；

▶显示： 一路支持4K分辨率的标准HDMI口；

两路CSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；

一路DSI1（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；

▶其他：两路风扇电源，2.54mm-2P，5v和3.3V；

一路boot跳线，2.54mm-2p，烧写emmc核心板用；

40PIN GPIO，2.54mm 20*2，与树莓派4B的GPIO引脚完全兼容；

尺寸：111*135mm；沉金工艺工艺，无铅生产，PCB板通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0；

可选铝合金外壳，带4个固定孔，方便安装设备，外壳尺寸：114*154*31mm。

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、系统的烧写

本文档采用树莓派OS的版本为2024-07-04-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 从TF卡启动

树莓派CM4核心板没有eMMC，系统将从TF卡启动。

点击直达烧写方法说明

3.2 从eMMC启动

树莓派CM4核心板板载eMMC，只能从eMMC启动，板载的TF将无效。

首先需要在PC上安装树莓派CM4核心板的驱动包，可以从树莓派官网下载，也可以从我司网站下载地址：

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

然后使用跳线帽短接BOOT脚和GND脚，使用Type-A数据线将扩展板上的USB2.0 OTG接口（即两个网口中间的USB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，我们还要将之前插上的短路帽拔下来（否则无法正常启动核心板），然后重新上电，启动系统。

四、树莓派系统测试

4.1 以太网网口测试

4.1.1 2.5G网口测试

我们将网线插入2.5G网口，系统会自动获取IP，然后我们打开终端，安装测速软件iperf3：

sudo apt-get install iperf3

2.5G以太网测速结果，client模式为2.15Gbps左右，server模式为1.75Gbps左右：

注意：2.5G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。

4.1.2 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，然后我们打开终端，使用iperf3进行测试：

原生千兆以太网测速结果，client模式为940Mbps左右，server模式为820Mbps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 SSD硬盘测试

4.2.1 SSD硬盘基本操作

NVME SSD硬盘只能做数据存储使用。

在树莓派OS中，打开File Manager，我们可以看到SSD的分区。如下图所示：

如果需要对SSD操作，请点击分区图标，此时需要输入系统密码，然后点击“Authenticate”，授权成功后即可对SSD进行操作：

此时回到桌面，就可以看到SSD分区的快捷图标：

同时在终端中输入df，也可以看到SSD分区，以及SSD的挂载信息，我们可以将这个SSD作为存储设备。

如果需要对SSD硬盘进行分区和永久挂载等操作，请参考此页面。

4.2.2 SSD硬盘读写速度测试

为了操作方便，我们通过SSH连接来测速，本文档使用MobaXterm软件，支持文件传输，MobaXterm软件下载地址：

https://mobaxterm.mobatek.net/download-home-edition.html

4.2.2.1 设置SSH

要在树莓派OS中开启SSH连接，首先从Preferences菜单中打开Raspberry Pi Configuration窗口：

然后单击Interfaces选项卡，选择SSH行旁边的Enable，再点击OK即可：

接下来打开MobaXterm软件，新建一个连接，选择SSH，Remote Host填入树莓派OS的IP，Specify username填入登录账号，如下图所示：

登录完成后，我们在左侧点击SSH Browser，进入SSH浏览器：

4.2.2.2 2.5G以太网对SSD读写

在SSH浏览器里，我们进入SSD硬盘的挂载文件夹，本文所示例子为：

/media/mcuzone/00009305000DEDEE/

在此文件夹下，将PC上的文件拖入SSH浏览器窗口，以及将SSH浏览器窗口内的文件拖到PC上，测试硬盘的读写速度。

写入速度140Mbps左右：

读取速度60Mbps左右：

注意：SSD硬盘读写速度测试受网络环境和硬盘性能影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。

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CM4_Ultra扩展底板相连接，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=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。

重启后在终端依次输入下列命令：

wget http://www.mcuzone.com/wiki/2001_CM4_Ultra/Brightness.zip

unzip Brightness.zip

cd Brightness

sudo chmod +x install.sh

./install.sh

然后就可以从Accessories菜单中打开Brightness窗口，可以调节7寸屏的背光：

4.4 CSI测试

首先将摄像头连接到CSI0或者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,cam0

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、video1设备（插一个摄像头显示video0，插两个摄像头显示video0、video1，和插在CSI0还是CSI1无关）。

在终端中输入libcamera-hello --camera 0或libcamera-hello --camera 1即可打开对应的摄像头浏览（插一个摄像头为camera 0，插两个摄像头则分为camera 0、camera 1）。

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 USB口测试

系统启动后我们将U盘插入USB3.0接口，输入lsusb查看USB3.0hub是否正常识别，随后输入lsusb -t查看USB3.0工作模式是否正常。

4.6 5G模块测试

本文档基于移远的5G模组RM500U-CN，我们出厂已经配置好树莓派官方OS免驱，自动识别。

4.6.1 5G测试

树莓派OS的终端，输入命令ifconfig -a，可以看到如下：

将5G模块接入扩展版后上电，系统启动后，我们输入lsusb查看模块是否正常识别：

记下5G模块的ID：2c7c 0900。

下载minicom工具：

sudo apt-get install minicom

使用下列命令打开ttyUSB串口，其中echo后面的值就是上面记录的ID值：

sudo modprobe option

sudo sh -c 'echo 2c7c 0900 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'

执行下面命令，进入AT命令：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB2

进入minicom后我们输入AT+QNETDEVCTL=1,3,1进行自动拨号，成功后重启系统即可正常使用：

注意：如果使用RM520N模块，需要执行的AT命令为：

AT+QCFG="USBNET",1

AT+QMAPWAC=1

如果重启后无法上网，需要查看下系统的nameserver（即DNS服务器）是否正确。通过下面的命令打开resolv.conf文件：

sudo nano /etc/resolv.conf

查看此时的nameserver是否正确，如果不正确，请将其改为sim卡的nameserver（通常是其网关地址）或者一些通用的nameserver地址（如114.114.114.114等）。

输入sudo apt install speedtest-cli安装测速工具：

随后进行测速测试：

注意：5G模块网络测速受5G信号和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。

4.7 WiFi6测试

树莓派CM4支持WiFi6（AX200）和WiFi6E（AX210）模块，都需要安装驱动才能使用。驱动的安装步骤如下：

4.7.1 安装驱动

首先要更新系统和头文件，打开树莓派终端，输入sudo apt-get update，更新系统：

然后输入sudo apt-get upgrade：

最后输入sudo apt-get install raspberrypi-kernel-headers安装头文件：

把wifi驱动源码下载至本地，输入：

git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/iwlwifi/backport-iwlwifi.git

下载完成后，cd backport-iwlwifi进入源码文件夹，输入make defconfig-iwlwifi-public，输出.config配置文件：

输入：

sed -i 's/CPTCFG_IWLMVM_VENDOR_CMDS=y/# CPTCFG_IWLMVM_VENDOR_CMDS is not set/' .config

输入make -j4，此处-j4表示用四核进行编译，如果出现死机卡死的情况，可以尝试用-j1或者-j2进行编译：

编译完成后，输入sudo make install进行驱动安装：

安装完毕后提示重启，请先不要重启。

4.7.2 安装固件

不同的模组，固件不一样，我们这里用的是AX210.

依次在树莓派终端执行：

cd ..

cd Downloads

wget http://www.mcuzone.com/wiki/2001_CM4_Ultra/iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.zip

unzip iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.zip

sudo cp iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.ucode /lib/firmware

然后输入cd /lib/firmware，再输入ls /lib/firmware iwl*.*，若有iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.ucode这个文件，即表明固件安装成功：

4.7.3 测试WiFi6模块

固件安装完成后，重启系统，点击桌面右上角网络图标，然后点击“Click here to set Wi-Fi country”：

我们选择CN：

再次重启系统，然后在桌面右上角手动连接WiFi，输入密码：

显示WiFi成功连接后，查看网络参数：

在树莓派终端执行ifconfig -a，也可以查看网络参数（wlan0）：

五、OpenWrt系统操作

我们测试使用的OpenWrt系统版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2711-rpi-4-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.98-20240723.img.gz 此系统已经包含wifi6驱动和我们公司配套5G模组驱动。

CM4_Ultra扩展板在OpenWrt系统下可配置为一进一出的交换机模式，扩展板上的原生千兆口作为WAN口（连接Internet），2.5G网口配置为LAN口，用于连接PC。

5.1 登陆系统

将扩展板上的原生千兆口连接网线至PC网口，系统上电启动后，我们在Windows设置中找到网络和Internet，在以太网中打开连接的网络查看默认网关的IP地址，这个地址就是OpenWrt系统的后台配置页面地址，如图所示，本文测试的地址为192.168.198.1：

然后打开网页浏览器输入192.168.198.1进入OpenWrt系统。默认用户名为root，默认密码为password：

5.2 设置网络接口

打开“网络 - 接口”，点击“添加新接口”：

接口名称设置为“WAN”，接口协议选择“DHCP客户端”，接口选择“eth0”后点击“提交”按钮：

在防火墙设置中选择WAN口后点击“保存”按钮。注意不要点“保存&应用”按钮：

然后点击“返回至概况”按钮，在接口处点击LAN口的“修改”按钮：

在物理设置中将接口改为eth1：

随后点击“保存&应用”按钮，网络配置就完成了。

5.3 2.5G网口测试

网络配置完成后，原生千兆网口就变成了WAN口，2.5G网口就变成了LAN口，将与电脑连接的网线切换到2.5G网口，再将原生千兆网口接到上级路由器。进入OpenWrt页面，点击“系统-TTYD终端”，登录后（默认用户名为root，默认密码为password）输入ifconfig -a查看IP地址：

也可以在“网络 - 接口”查看网口信息：

接下来我们在TTYD终端使用iperf3测速软件（系统自带），与PC之间进行测速：

扩展板作为client时：

扩展板作为server时：

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。

5.4 SSD硬盘测试

登录后台页面后，进入“系统 - 挂载点”，我们可以看到SSD硬盘已经被自动挂载：

点击“网络存储-网络共享”，注意有可能会有两个“网络共享”，要进标注Samba的网络共享，而不是Ksmbd的网络共享！

添加一个共享目录，目录为硬盘挂载的地址：

随后点击“保存&应用”按钮。

设置完毕后在资源管理器中输入\\192.168.198.1（地址为扩展板的地址，视实际情况而不同），我们就能看到那个共享目录了：

将任意文件拖拽到桌面进行读取速度测试：

将任意文件拖拽到SSD进行写入速度测试：

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。

如果在访问共享时Windows提示无法访问：

需要修改Windows网络策略。按window+R键输入gpedit.msc 来启动本地组策略编辑器。依次找到“计算机配置 - 管理模板 - 网络 - Lanman工作站”这个节点，在右侧内容区可以看到“启用不安全的来宾登录”这一条策略设置。状态是“未配置”：

双击“启用不安全的来宾登录”这一条策略设置，将其状态修改为“已启用”并单击确定按钮：

设置完成再次尝试访问发现可以正常访问了。

5.5 WiFi6模块测试

5.5.1 设置WiFi6

将WiFi6模块（AX200或AX210）插上扩展板，2.5G网口连电脑，千兆网口不插网线。登录后台后，在“网络 - 无线”中可以看到无线概况：

点击“扫描”按钮，扫描出附近的无线AP：

选择一个进行连接，防火墙选“WAN”：

然后按“提交”，提交后在点击“保存&应用”：

成功后再回到“无线概况”，就能看到此时无线已经连接成功：

我们登录TTYD终端，运行ifconfig -a查看网络参数，可以看到无线网卡（wlan0）已经获取了IP地址：

利用本扩展板做client，与电脑之间进行测速，结果如下：

如果需要将扩展板做server，需要在”防火墙 - 常规设置 - 区域“中，将wan的入站数据等改成接受：

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。

5.5.2 WiFi6模块作为无线AP

AX210可以在2.4G模式下作为无线AP使用，AX200不能作为无线AP使用。本节使用AX210进行测试，实现千兆做WAN，AX210做LAN。

承接上一节，我们现在将千兆网口接上级路由器。然后在“网络 - 无线”里面点击“修改”：

按照下图修改：

无线AP名称可以自己定义，我们这里取名“ AX210”:

点击“保存&应用”，随后点击“网络 - 接口”，删除WWAN：

再点击LAN的“修改”：

进入LAN的物理设置（将原先2.5G做LAN改成AX210做LAN），确认设置如下图：

点击“保存&应用”，然后进入“网络 - 无线”，把这个AP先停用再启用：

随后我们就能搜索到这个AP了，我们连接该AP，密码就是上一节连的无线AP的密码：

上网测速结果如下：

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。

5.6 5G模块测试

插上5G模块（本文档使用RM500U-CN为例）和sim卡，将与电脑连接的网线插到2.5G网口，原生千兆网口不插网线。

启动系统，点击“系统-TTYD终端”，登录后输入ifconfig -a查看网卡：

可以看到有一个名为usb0的网卡即为5G模组，但是无IP地址。

进入“网络 - 接口”，点击“添加新接口”：

按下图配置，添加一个新接口，本文档为其命名为“5GWAN”：

点击“提交”，然后进入“防火墙设置”，将防火墙区域设置为“WAN”：

返回“网络 - 接口”，此时我们就能看到5G模块已经获取到了IP地址，PC也能通过该5G模块上网：

在PC上测试网速结果如下：

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。

六、功耗测试信息

使用本产品时最低需要12V 1.5A电源进行供电，推荐使用12V 2A电源。

6.1 产品使用时系统待机功耗

1. 不接外设时待机功耗：0.756A

2. 单独接5G待机功耗：0.9A

3. 单独接SSD待机功耗：0.847A

4. 单独接WiFi6待机功耗：0.83A

5. 外设全接待机功耗：1.15A

6.2 各个模块使用时的功耗

1. 单独5G测速功耗：1.9A

2. 单独测试WiFi6功耗：1.15A

3. 2.5G从SSD拖文件到电脑时系统功耗：1.588A

4. 2.5G从电脑写文件到SSD时系统功耗：1.668A

6.3 模块之间相互使用时功耗

1. WiFi6从电脑写文件到SSD时系统功耗：1.25A

2. WiFi6从SSD拖文件到电脑时系统功耗：1.72A

3. 5G从网页下载文件到SSD时系统功耗：1.88A

注意：上述数据为本公司的测试数据，仅供参考。

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邮件：mcuzone@vip.qq.com

电话：13957118045

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