2011 CM4 4G UPS

关键词

树莓派、CM4核心板、UPS、百兆以太网、千兆以太网、RPi OS、Ubuntu、OpenWrt、18650、锂电池、4G LTE免驱

一、简介

CM4_4G_UPS扩展板是一款基于树莓派CM4设计的双网口、带UPS后备电源的扩展板，具备2路USB2.0接口和1路1.25mm 4Pin USB2.0接口（与其中一路SB2.0接口复用）、一路MiniPCIe接口，可支持MiniPCIe接口的4G模组，以及具备HDMI/40P/CSI/DSI等常规外设。可选板载一节或两节18650锂电池作为UPS后备电源，最高容量可达6800mAh。输入电源支持7-24VDC直流输入和UPS后备电源输入，支持同时充电放电不间断供电。本扩展板适用于有人值守的掉电续航应用场景，比如可移动演示平台、可移动软路由（特别适合夜间断电的宿舍）等场景。

4G LTE模组采用CAT4速度，是4G全网通，即支持电信联通和移动SIM卡。4G模组的理论值可达50Mbps以上的上行速度。我司配套出货的4G LTE模组在树莓派官方OS、Ubuntu OS和OpenWrt系统下均为免驱免拨号，自动识别，操作方便。4G型号分CAT4 4G和高通4G（可选GPS功能）。

二、硬件资源

CM4接口	DF40HC（3.0），适用于树莓派CM4核心板所有版本
电池规格	18650电池*2，单节3400mAh，共6800mAh
以太网	一路原生千兆，一路百兆；RJ45一体化接口
4G LTE	一路USB MiniPCIE接口
4G LTE	—路Nano SIM卡座
USB	两路USB2.0 HOST-A口，其中一路（双层接口中上面的USB）复用1.25MM-4P接口
USB	一路USB-C烧写口，板载boot跳线（仅供eMMC的CM4烧写系统用）
显示	—路标准HDMI接口（分辨率可达4K）
显示	—路MIPI DSI1接口（22pin 0.5mm FPC座）
摄像头	—路MIPI CSI1接口（22pin 0.5mm FPC座）
存储	—路TF卡座（仅供无eMMC的CM4储存启动系统）
LED	电源LED/电量LED/CM4 LED/状态LED/4G LED
GPIO	2.54MM 40pin GPIO，与树莓派4B引脚完全兼容
风扇电源	一路3.3V风扇供电接口（2.54mm 2P）
电源	7-24V DC直流电源（内负外正）或18650锂电池供电
尺寸	135*111mm，板材通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0
外壳	铝合金外壳带支架孔，尺寸：138（154mm带支架）11431mm
操作系统	RPi OS/Ubuntu/OpenWrt

三、系统的烧写

本文档采用树莓派OS、Ubuntu OS和OpenWrt系统进行测试。测试的系统版本如下：

▶ 树莓派OS的版本为2025-05-13-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

▶ Ubuntu OS的版本为ubuntu-25.04-preinstalled-desktop-arm64+raspi.img.xz；下载地址：

https://ubuntu.com/download/raspberry-pi

带eMMC的核心板，系统烧写在eMMC内，不带eMMC的核心板，系统烧写在TF卡内。

使用带eMMC的核心板，烧写前用跳线帽短接BOOT脚，USB-C接口连接至电脑，如下图：

烧写完成后，短路帽拔掉，重新上电，即可启动系统。

烧写方法请参阅：

烧写系统的方法

四、电源管理策略

CM4_4G_UPS扩展板的电源管理部分的组成，分别是将7-24V的直流输入降为5V的降压电路、以5V作为输入的锂电池充电电路、将锂电池升压至5V的升压电路。这三路电源组成了完整的电源管理系统。

电源管理策略如下：

1. 当外部7-24VDC直流输入时，则系统从由外部输入降压而来的5V供电，同时这路电源还负责给锂电池充电。此模式下不管有没有电池，不管电源开关是否打开，系统都会上电工作。

▶ 比如当板载18650锂电池，接入外部电源，同时电源开关打开，此时外部电源优先供电；

▶ 比如当板载18650锂电池，接入外部电源，同时电源开关关闭，此时通过外部电源供电。

2. 当未连接外部电源时，将电源开关拨至右侧ON，则是锂电池给系统供电，电源开关拨至左侧OFF，则断电关机。

3. 树莓派CM4可通过GPIO26监测外部电源是否有接入（即监测外部是否掉电），但无法读取电池电压或者电池容量，故树莓派无法精确计算续航时间。

支持同时充电放电不间断供电

在电源开关打开的情况下，接入外部电源，外部电源给系统供电的同时，也给电池充电。断开外部电源，自动切换到电池供电，不影响系统运行！

注意：

1. 本扩展板可选配1-2节18650电池，可支撑1-10小时的电池供电应用（续航视负载轻重而变化）；

2. 本扩展板适用于有人值守的掉电续航应用场景，比如可移动演示平台、可移动软路由（特别适合夜间断电的宿舍），注意及时关闭电源开关以保护锂电池；

3. 18650电池充电电流默认为2A左右，板载有4G模组，需要确保外部DC5.5输入具备15W左右的输出能力，即如果7.5V输入则需要确保能输出2A以上，如果是12V输入则需要确保能输出1.2A以上，推荐使用12V2A；

4. 在锂电池供电的情况下请及时查看电池电量，当前硬件不具备彻底的负载切断功能，如果不及时关闭开关会导致电池过放；

5. 18650电池能量巨大，请千万看清楚方向再放入电池座。一旦插反很可能会冒烟起火甚至爆炸，为了大家安全着想，请仔细核对；

6. 对于因电池接反导致的任何风险我们概不承担，请小心使用，且因电池接反导致的器件损坏不在保修范围内；

7. 因用户自备的电源适配器充电，导致电池炸了或器件损坏，概不保修，请用优质正品电源。

五、树莓派OS的使用

5.1 测试USB口

在各个USB口上接上设备，在树莓派终端中执行lsusb及lsusb -t，显示如下：

Device 003为1.25mm-4p接口，与双层USB 2.0-A口中的上面接口复用；

Device 004为双层USB2.0-A口中的下面接口；

Device 005为USB 2.0转百兆以太网卡；

Device 006为USB2.0转MiniPCIe接口。

识别都正常。若USB无外接设备，则不会出现相应的设备编号。

Bus 01为为USB 2.0接口，480Mbps，工作模式也正常。

5.2 监测外部电源是否接入测试

树莓派CM4可通过GPIO26监测外部电源是否有接入，在此我们运行一个脚本来监测。

脚本代码如下（脚本名为gpiot.sh）：

参考脚本：

http://www.mcuzone.com/wiki/2011_CM4_4G_UPS/gpiot.sh.zip

注意：下载完毕后将文件名改为gpiot.sh，并拷贝到树莓派系统下使用。

运行下面的命令，给脚本添加权限：

sudo chmod +x gpiot.sh

然后运行脚本：

./gpiot.sh

运行结果为，当输入电源正常连接时（即充电状态），终端显示：

此时GPIO26的状态为hi（高电平）。

当输入电源断开时（即放电状态），终端显示：

此时GPIO26的状态为lo（低电平）。

插着外部电源，上电运行脚本，拔掉外部电源，再插上外部电源，脚本的运行结果视频示例：

注意：GPIO26的状态从高电平变为低电平有可能需要一定的时间，断开输入电源到状态变化大约需要数秒钟，在此期间的状态仍为高电平。

5.3 测试以太网

树莓派OS终端执行ifconfig，显示如下：

▶ 测试原生千兆以太网：

将原生千兆以太网接上级路由器，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

Client模式为942Mbps左右：

Server模式为948Mbps左右：

▶ 测试百兆以太网：

将百兆以太网接上级路由器，我们使用网速测试软件iperf3进行测速。

Client模式为92.2Mbps左右：

Server模式为91.6Mbps左右：

注意：以太网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 测试4G模组

在树莓派系统终端下执行ifconfig -a，显示结果如下：

CAT4 4G：

高通4G或高通4G-GPS：

此时我们ping IP和域名，均成功，说明4G模组工作正常：

打开https://test.ustc.edu.cn/进行网速测试，结果如下：

CAT4 4G：■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■高通4G-GPS：

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。

GPS的使用是通过AT命令操作，以及关于4G模组的其它操作比如AT命令，或者网络优先级测试等，请点击参考此链接：M4GUSB

5.5 测试DSI1

树莓派官方两代液晶屏，第一代液晶屏的分辨率为800*480，第二代液晶屏的分辨率为1280*720，两代液晶屏均需独立供电。

5.5.1 树莓派官方第一代液晶屏

启动系统后，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,dsi1

保存后重启系统，即可使用树莓派官方7寸触摸屏。

5.5.2 树莓派官方第二代液晶屏

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,dsi1

保存后重启系统，即可使用树莓派官方二代7寸触摸屏。

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。

5.6 测试CSI1

我们使用的是OV5647摄像头，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/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：

六、Ubuntu系统的使用

6.1 测试USB口

在各个USB口上接上设备，在Ubuntu终端中执行lsusb，显示如下：

执行lsusb -t，显示如下：

Device 003是1.25mm-4p接口，与双层USB 2.0-A口中的上面接口复用；

Device 004是双层USB 2.0-A口中的下面接口；

Device 005是百兆以太网；

Device 006是接了高通4G模组。

识别都正常。若USB无外接设备，则不会出现相应的设备编号。

Bus 01为为USB 2.0接口，480Mbps，工作模式也正常。

6.2 监测外部电源测试

在Ununtu系统下监测外部电源是否接入，测试方法与在树莓派OS完全一致，请参阅5.2节。

6.3 测试以太网

Ubuntu系统下默认没有安装net-tools软件，无法执行ifconfig，请先安装net-tools软件。

Ubuntu系统终端执行：

sudo apt install net-tools

安装完毕后，Ubuntu系统终端执行ifconfig，显示如下：

▶ 测试原生千兆以太网：

将原生千兆以太网接上级路由器，我们使用网速测试软件iperf3进行测速。

Client模式为941Mbps左右：

Server模式为948Mbps左右：

▶ 测试百兆以太网：

将百兆以太网接上级路由器，我们使用网速测试软件iperf3进行测速。

Client模式为93.1Mbps左右：

Server模式为94.7Mbps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。

6.4 测试4G模组

在Ubuntu系统终端下执行ifconfig -a，显示结果如下：

此时我们ping IP和域名，均成功，说明4G模组工作正常：

打开https://test.ustc.edu.cn/进行网速测试，结果如下：

CAT4 4G：■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■高通4G和4G-GPS：

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。

关于4G模组的其它操作和树莓派系统一样。

6.5 测试DSI1

树莓派官方两代液晶屏，第一代液晶屏的分辨率为800*480，第二代液晶屏的分辨率为1280*720，两代液晶屏均需独立供电。

6.5.1 树莓派官方第一代液晶屏

启动系统后，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,dsi1

保存后重启系统，即可使用树莓派官方7寸触摸屏。

6.5.2 树莓派官方第二代液晶屏

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,dsi1

保存后重启系统，即可使用树莓派官方二代7寸触摸屏。

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。

七、OpenWrt系统的使用

我们测试使用的OpenWrt系统版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2711-rpi-4-squashfs-sysupgrade-linux-6.6.73-20250324-7925.img.gz

系统默认原生千兆以太网为LAN，我们可以对扩展板做如下配置：4G模组配置为WAN，百兆以太网配置成WAN或者LAN。

7.1 登录系统

将原生千兆以太网连接至PC，系统启动后，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192.168.1.1：

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：

7.2 设置4G模组为WAN

将原生千兆以太网与PC相连，启动系统。点击“服务 - 终端”，登录终端，默认用户名root，密码为“pasword”：

执行ifconfig -a，结果如下：

CAT4 4G和高通4G模组都识别成eth2，但是没有看到IP地址，这是正常的，因为尚未设置完毕；接下来我们设置4G为WAN。

进入“网络 - 接口”，点击“添加新接口...”：

按下图进行配置（“名称”可以自定义），然后点击“创建接口”：

点击“防火墙设置”，在“创建/分配防火墙区域”中，选择wan，然后点击“保存”：

自动返回上一页，点击“保存并应用”：

这样我们就把4G模组配置成了WAN口。稍等片刻，我们就能看到4G模组获得了IP地址：

然后我们回到终端，执行ifconfig -a，结果如下：

可以看到eth2已经获取了IP地址。

ping IP和域名成功，4G模组工作正常：

此时连接LAN口的PC网卡的属性显示可以连接Internet：

因此PC可以上网，打开https://test.ustc.edu.cn/进行网速测试，结果如下：

CAT4 4G：■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■高通4G-GPS：

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。

7.3 设置百兆以太网

扩展板的百兆以太网在系统里识别成eth1，将百兆以太网设置为WAN的方法与上一节将4G模组设置为WAN的方法相同，只是网络接口需要选择eth1。

设置完毕后PC可以上网，打开https://test.ustc.edu.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。

接下来我们操作设置百兆以太网为LAN口。在设置百兆以太网为LAN口之前，如果已经将百兆以太网设置为WAN口了，请先删除该设置：

点击“网络 - 接口”，点击WAN后面的删除，然后点击“保存并应用”：

进入“设备”，点击“br-lan”后面的“配置...”：

在“网桥端口”中，选中“eth1”（即百兆以太网），再按“保存”按钮：

自动返回上一层界面，按“保存并应用”：

这样我们就把百兆以太网（eth1）也设置成了LAN口。

八、CM5核心板的兼容性测试

▶ 树莓派OS：

启动	支持eMMC版本的CM5核心板，及不带eMMC的CM5核心板从TF卡启动
外设名称	HDMI输出	USB2.0-A接口	MiniPCIe接口(4G)	千兆以太网	百兆以太网
是否兼容	√	√	√	√	√
外设名称	监测外部电源接入	核心板WiFi	DSI1	CSI1	CSI1做DSI用
是否兼容	√	√	×	√(cam0)	√(dsi0)
注：√表示兼容，×表示不兼容，括号内的文字表示与CM4核心板的区别

▶ Ubuntu系统：

启动	支持eMMC版本的CM5核心板，及不带eMMC的CM5核心板从TF卡启动
外设名称	HDMI输出	USB2.0-A接口	MiniPCIe接口(4G)	千兆以太网	百兆以太网
是否兼容	√	√	√	√	√
外设名称	监测外部电源接入	核心板WiFi	DSI1	CSI1做DSI用
是否兼容	√	√	×	√(dsi0)
注：√表示兼容，×表示不兼容，括号内的文字表示与CM4核心板的区别

注意：需要在config.txt文件中，在末尾加上dtoverlay=dwc2,dr_mode=host，否则USB接口（包括MiniPCIe接口）将无法使用。

▶ OpenWrt系统：

启动	支持eMMC版本的CM5核心板，及不带eMMC的CM5核心板从TF卡启动
外设名称	HDMI输出	MiniPCIe接口(4G)	千兆以太网	百兆以太网	核心板WiFi
是否兼容	√	√	√	√	√
注：√表示兼容，×表示不兼容

注意1：测试系统的版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2712-rpi-5-squashfs-sysupgrade-linux-6.12.32-USBlan-oled-20250608.img.gz

注意2：需要在config.txt文件中，把dr_mode=peripheral改为dr_mode=host，否则USB接口（包括MiniPCIe接口）将无法使用。

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