0004 MPS2280Bi（带电压电流检测的SSD扩展板）
关键词
树莓派5、 PCIe扩展、Raspberry Pi5、SSD、辅助供电、电压检测、电流检测、功率检测、监测
一、简介
树莓派5板载一个16Pin的PCIe接口，我们可以通过该接口外挂各种PCIe设备。本扩展板就是专为树莓派5设计的底板安装NVMe SSD扩展板，并添加了电压、电流检测功能。SSD可用作数据存储或系统启动;支持2230、2242、2280尺寸SSD。使用本扩展板可以实时检测SSD的电压、电流以及功率等数据。同时，扩展板上拥有Type-C辅助供电口，用户可根据检测数据来决定是否使用外部供电。
二、硬件资源
MPS2280Bi是一款采用底部安装方式的NVMe SSD扩展板，主要具备以下硬件资源：
2.1 采用16Pin 0.5mm间距FPC接口，翻盖下接，组装PCIe屏蔽线时,请注意5V指示方向;
2.2 M.2 M-key接口，支持2280、2242、2230尺寸的NVMe固态硬盘(默认焊接2280固定柱)，可支持双面器件SSD;不支持SATA和NGFF硬盘;
2.3 底部安装，配四个8mm高度的M2.5螺柱，树莓派5可直接固定在扩展板上方;
2.4 预留USB-C辅助供电接口,5V供电;
2.5 板载电压电流监测芯片，可实时监测SSD的工作电压和电流;
2.6 板子采用两层板设计，沉金工艺，无铅生产,PCB板材和制造工艺符合Rohs和UL认证;
2.7 尺寸:56*85mm。
三、系统烧写
3.1 本文档使用的镜像为2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz（树莓派OS）。
树莓派OS下载地址：
https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit
3.2 无需额外安装python环境，系统已集成。
3.3 系统可以烧写在SSD硬盘上，也可以烧写在SD（TF）卡上，本扩展板支持从NVMe（SSD）和SD（TF）卡启动。本文档采用在SSD上烧写系统并进行测试。
四、电压电流(INA219)监测功能演示
4.1 打开I2C
4.1.1 方法1：使用命令行
在树莓派终端输入sudo raspi-config，根据下图依次选择对应选项：
依次选择打开I2C后，重启树莓派。
4.1.2 方法2：使用图形界面
在图形界面中，依次选择如下图项目后，打开I2C后，然后重启树莓派。
4.2 运行python脚本检测电压电流
4.2.1 PCIe Gen2下测试
系统重启后，将我司提供的Python脚本（INA219.py）拷贝入树莓派操作系统中，执行该文件（python INA219.py）即可实时检测电压电流。
Python脚本下载地址（需解压）：
http://www.mcuzone.com/wiki/0004_MPS2280Bi/INA219.zip
此时运行在PCIe Gen2下：
4.2.2 PCIe Gen3下测试
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。
然后执行python INA219.py，结果如下图，可以与运行在PCIe Gen2下的脚本进行对比测试。
4.2.3 5V侧的电流说明
监测的电压和电流是3.3V和SSD的工作电流，如果要将电流换算到5V侧只需除以1.5即可。例：上图MAX电流0.285A，那5V侧的电流大约是190mA。
4.2.4 实际功耗说明
监测频率为10Hz，即0.1秒采样并刷新一次，前3行为当前采样到的值，后两行是自打开python程序后采到的MAX和MIN值。从采样结果可知，受限于树莓派PCIe的X1带宽限制，SSD的实际功耗远低于额定功耗(额定功耗一般3.3V 2A，实际功耗仅为3.3V 500mA)，所以绝大多数的常规SSD都不需要额外供电。
注意：由于I2C通讯是以顶针方式连接，有可能存在接触不良的情况，出现此类情况时请清洁顶针头部和树莓派对应插针，并确保顶针对准。
4.3 使用hdparm进行测速时的功耗对比
4.3.1 PCIe Gen3下功耗测试
安装硬盘测速软件hdparm。在树莓派终端下运行：
sudo apt install hdparm
安装完毕后先开一个终端窗口，进行电流电压监测，然后再开一个终端窗口，多次运行：
sudo hdparm -t /dev/nvme0n1p1
可见读到的最大电流大约为0.418W，硬盘速度约为880MB/s。
4.3.2 PCIe Gen2下功耗测试
修改config.txt，将环境恢复为PCIe Gen2，再次进行相同的功耗测试：
可见读到的最大电流大约为0.323W，硬盘速度约为450MB/s。
4.3.3 结论
PCIe Gen2的理论带宽是5Gbps，PCIe Gen3的理论带宽是8Gbps。对比PCIe Gen3下和PCIe Gen2下的测试结果，可见在PCIe Gen3下，因为带宽的影响，无论是硬盘速度还是最大电流，都有所提高。如在PCIe Gen3下，SSD硬盘的速度可达880MB/s。
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