5004 CM5IO Plus
关键词
树莓派、CM5核心板、NVME SSD、双网口、RPiOS、Ubuntu、USB3.0、USB2.0、4G、mini PCIe、SSD、RTC、PWM、DSI、CSI、HDMI
一、简介
CM5IO_Plus扩展板是专为树莓派CM5核心板设计的多用途扩展板，采用兼容树莓派原装CM5IO板的尺寸设计，新增了USB2.0和百兆以太网接口以及用于扩展存储的TF卡接口，还预留了PoE模块和CM4尺寸4G安装位置。
CM5IO_Plus扩展板是四层板设计，具备双HDMI、千兆+百兆双网络、双USB3.0+四路USB2.0、支持PoE供电、M.2 SSD并可进一步转接WiFi7和2.5G以太网。同时可选配多款基于40Pin的工业接口扩展板和4G等USB扩展模块。
二、硬件资源
1. 支持全系列树莓派CM5核心板，DF40HC3.0接插件，CM4也可使用但USB3.0接口无效；
2. 一路原生千兆以太网，支持PoE；板载可选配PoE模组，5V4.5A；
3. 一路百兆以太网接口；
4. 两路USB3.0接口；
5. 四路USB2.0接口，其中两路USB-A接口，两路1.25mm-4Pin USB接口；
6. 一路支持2230/2242/2260/2280尺寸的NVME SSD固态硬盘接口
7. 两路DSI/CSI组合接口；
8. 两路TF卡座，其中一路仅用于无eMMC的CM5核心板启动系统用（带eMMC核心板无效），一路为存储扩展接口；
9. 一路实时时钟RTC，1.25mm-2P接口；
10. 两路标准尺寸HDMI接口；
11. 两路风扇接口，一路PWM FAN 1.0mm-4Pin，一路2.54mm-2P接口；
12 .四盏LED灯，分别为电源、CM5核心板电源、运行灯和SSD灯；
13. 3组排针跳线；
14. 40Pin GPIO接口
15. 电源按键；
16. 尺寸:160*90mm，四层板设计，板材通过UL和ROHS认证，防火等级94V-O
17. 可选钣金外壳。
三、烧写系统
本文档采用树莓派系统进行测试，使用前请先下载并安装核心板驱动、树莓派镜像烧录器以及树莓派系统：
树莓派系统的版本为2024-11-19-raspios-bookworm-arm64.img.xz，树莓派系统下载地址：
https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit
镜像烧录器的下载地址：
https://www.raspberrypi.com/software/
树莓派CM5核心板的驱动，可以从树莓派官网下载，也可以从我司网站下载，下载地址如下：
http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000641
3.1 eMMC的烧写
带eMMC的核心板，系统只能烧写在eMMC内，此时用于启动系统的板载TF卡将无法使用，但用于存储扩展的板载TF卡可以使用。
扩展板的操作如下：
电源USB-C接到电脑，板上的OTG和BOOT跳线用短路帽短上，上电后板子下方的PWR灯微微亮起，如下图：
驱动安装完成后，电脑上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“BCM2712D0 Boot”的USB设备（即识别树莓派CM5）：
PC的开始菜单的所有程序下，Raspberry Pi下面有个“rpiboot-CM4-CM5 - Mass Storage Gadget”：
打开这个软件，计算机会将eMMC的分区在Windows下分配盘符并显示出来：
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树莓派镜像烧录器烧写系统了。
打开树莓派镜像烧录器：
Raspberry Pi Device：选择Raspberry Pi 5；
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：选择刚才显示出来的分区；
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。
烧写完成后，把短路帽都拔掉，重新上电，启动系统即可。
3.2 TF卡的烧写
核心板如果没有eMMC，则系统将从TF卡启动。
TF卡的烧写步骤与eMMC基本相同，无需使用扩展板，将TF卡通过USB读卡器插入电脑的USB口，将系统烧录到TF卡内的分区即可。
烧写完毕后，将TF卡从读卡器中取下，插入CM5IO_Plus扩展板的TF卡卡槽，上电后即可进入系统。
3.3 SSD的烧写
CM5IO_Plus扩展板支持一路M.2 M-KEY接口NVME SSD，所以可以从SSD启动系统（同样需要核心板不带eMMC）。
SSD的烧写步骤与TF卡基本相同，无需使用扩展板，将SSD卡通过USB硬盘盒插入电脑的USB口，将系统烧录到SSD内的分区即可。
烧写完毕后，将SSD从硬盘盒中取下，插入CM5IO_Plus扩展板的M.2接口，上电后即可进入系统，注意此时不要插TF卡。
四、树莓派OS的操作
4.1 测试USB口
4.1.1 USB口识别测试
在树莓派终端中执行lsusb，显示如下：
识别都正常
随后输入lsusb -t查看USB口的工作模式是否正常：
Bus 02：为USB 3.0接口，5000M；
Bus 04：为USB 3.0接口，5000M；
Bus 05：为USB 2.0接口，480M。
注意，如果扩展板上的上述USB口不接设备，那lsusb里是不会出现相应的设备编号的。如Bus 005 Device 004在这里是因为接了无线键鼠才会出现，如果不接设备，就不会出现这个编号。
4.1.2 测速USB3.0
将一个USB的NVME SSD硬盘盒插入扩展板的USB3.0-A口，同时扩展板上插一个NVME SSD硬盘。启动系统，在这两个硬盘之间拷贝大文件，测试结果如下：
| 数据传输方向 | 耗时s | 包大小MB | 传输速度MB/s | 传输速度Gbps |
| 扩展板的USB3.0 NVME->扩展板 SSD | 5.89 | 2048 | 347.71 | 2.78 |
| 扩展板SSD->扩展板的USB3.0 NVME | 7.55 | 2048 | 271.26 | 2.17 |
| 扩展板的USB3.0 USB NVME->扩展板SSD | 41.1 | 10240 | 249.15 | 1.99 |
| 扩展板SSD->扩展板的USB3.0 NVME | 42.14 | 10240 | 243 | 1.94 |
4.1.3 测速USB2.0
将一个USB的NVME SSD硬盘盒插入扩展板的USB2.0-A口，同时扩展板上插一个NVME SSD硬盘。启动系统，在这两个硬盘之间拷贝大文件，测试结果如下：
| 数据传输方向 | 耗时s | 包大小MB | 传输速度MB/s | 传输速度Gbps |
| USB2.0的NVME->扩展板SSD | 60.79 | 2048 | 33.69 | 0.27 |
| 扩展板SSD->USB2.0 NVME | 39.45 | 2048 | 51.91 | 0.42 |
| USB2.0的NVME->扩展板SSD | 304.64 | 10240 | 33.61 | 0.27 |
| 扩展板SSD->USB2.0 NVME | 306.01 | 10240 | 33.46 | 0.27 |
4.2 测试SSD硬盘
4.2.1 SSD硬盘的识别
扩展板上接一个NVME SSD硬盘，上电启动系统。
在树莓派终端中执行lspci，查看SSD硬盘信息：
然后需要对SSD硬盘进行授权，在File Manager中点击SSD分区，会弹出授权框，填入当前账户的密码进行授权：
注意：点击的第一个分区需要输入密码进行授权，如有其它分区只需要点击即可完成授权。
授权完毕后，在桌面会显示分区：
在树莓派终端中输入df，即可查看SSD硬盘分区信息：
我们可以看到两个SSD分区名为nvme0n1p1、nvme0n1p2。
4.2.2 测试SSD硬盘接口速度（PCIe Gen2）
默认状态下，SSD硬盘运行在 PCIe Gen2下。
安装硬盘测速软件hdparm，在树莓派终端下运行：
sudo apt install hdparm
运行接口测速命令，可多次运行，测试多次硬盘速度：
sudo hdparm -t /dev/nvme0n1
这里运行了5次，具体数据见下：
| 次数 | 传输速度MB/s | 传输速度Gbps |
| 1 | 450.95 | 3.61 |
| 2 | 451.04 | 3.61 |
| 3 | 451.02 | 3.61 |
| 4 | 450.97 | 3.61 |
| 5 | 451.01 | 3.61 |
| 平均 | 451 | 3.61 |
4.2.3 测试SSD硬盘接口速度（PCIe Gen3）
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。
运行接口测速命令，可多次运行，测试多次硬盘速度：
sudo hdparm -t /dev/nvme0n1
这里运行了5次，具体数据见下：
| 次数 | 传输速度MB/s | 传输速度Gbps |
| 1 | 875.11 | 7.00 |
| 2 | 880.84 | 7.05 |
| 3 | 877.09 | 7.02 |
| 4 | 875.91 | 7.01 |
| 5 | 883.57 | 7.07 |
| 平均 | 878.5 | 7.03 |
可见在PCIe Gen3下的SSD硬盘的接口速度与在PCIe Gen2下的测试数值相比，有明显的提高。
4.3 测试以太网口
扩展板的原生千兆网口插上级路由器，执行ifconfig -a，显示如下：
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
4.3.1 千兆网口测速
使用iperf3对原生千兆网口进行测速：
client模式为938Mbps左右：
server模式为947Mbps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。
4.3.2 百兆网口测速
使用iperf3对百兆网口进行测速：
client模式为93.7Mbps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。
4.4 测试RTC
CM5核心板自带RTC，扩展板上需外接电池，可在树莓派系统下直接使用。如下图所示：
15
系统启动后，在树莓派终端中运行：
ls /dev/r*
即可看到RTC设备：
显示当前系统时间的命令是date；
将系统时间从RTC读出的命令是sudo hwclock -r；
将系统时间写入RTC的命令是sudo hwclock -w。
如下图所示：
如果此时正确接上了RTC电池，则断电后RTC内部的当前时间不会消失，否则将会恢复到默认时间（1970年1月1日）。
4.5 测试PWM风扇
安装监测软件s-tui：
sudo apt install s-tui
然后在树莓派终端中运行s-tui，则可以在监测窗口中看到风扇转速的变化：
如果需要自定义风扇的转速和运行的温度范围，请打开终端，运行下列命令：
sudo nano /boot/firmware/config.txt
在文件末尾加入下列语句：
dtparam=cooling_fan=on
dtparam=fan_temp0=50000,fan_temp0_hyst=5000,fan_temp0_speed=255
其中：
fan_temp0=50000，50000为表示温度，这里是50摄氏度；
fan_temp0_hyst=5000，5000表示迟滞温度，这里是5摄氏度；
fan_temp0_speed=255，255表示风扇转速，最高为255。
可以写入多段温度及相对应的风扇转速，每一段另起一行，使用不同的序号数字来区分，例如：
dtparam=fan_temp1=36000,fan_temp1_hyst=5000,fan_temp1_speed=128
4.6 测试DSI
我们测试用的液晶屏是树莓派官方第一代液晶屏，液晶屏需额外独立供电，上电启动系统，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,dsi0
（使用接口为CAM/DISP 0，如果使用CAM/DISP 1接口，请将dsi0改成dsi1）
保存后重启系统，即可使用树莓派官方7寸触摸屏。显示效果如下所示：
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。
4.7 测试CSI
我们使用的是OV5647摄像头，接口为CAM/DISP 0，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
（如果使用CAM/DISP 1接口，请将cam0改成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：
4.8 测试外接4G模组
我司配套的4G模块均具有免驱免拨号、系统自动识别、即插即用等功能。我们的4G型号有CAT4 4G、高通4G、高通4G-GPS、ZTE CAT4 4G和移远EC20 GPS语音简版。其中CAT4 4G和ZTE CAT4 4G，系统均自动识别成eth设备，高通4G/高通4G-GPS和EC20均自动识别成usb0。
4.8.1 4G网络测试
将4G模块的1.25mm-4p接口与CM5IO_Plus扩展板的1.25mm-4p接口相连：
原生千兆网口接上级路由器，启动系统，在树莓派系统终端下执行ifconfig -a，显示结果如下：
上图所示的usb0即为4G模块，高通4G LTE；
若您的4G模块是国产CAT4 4G/ZTE CAT4，则系统识别成eth2（2位置上的数字依其它有线网络的数目而定）。
以高通4G LTE模块为例，我们将原生千兆网口和扩展百兆网口都连接上级路由器，执行route，查看路由表，eth1排在第一位，因此此时是通过扩展百兆网口上网：
我们把扩展百兆网口的网线拔了，重启系统，执行route，查看路由表，usb0排在第一位，因此此时是通过4G模块上网：
此时我们ping IP和域名，均成功，说明4G模块工作正常：
打开https://www.speedtest.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。
4.8.2 网络优先级的修改
上一节我们查看了路由表，在扩展百兆网口不接网络的情况下，优先通过4G网络上网。
如果你不想用4G上网，要优先使用有线网络上网的话，可以运行命令：
sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1
这两条命令（以“&&”分隔）的解释：
sudo ip route del default：删除路由表中的默认路由；
sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1：添加有线网络的网关为新的默认路由（网关地址以实际为准）。
执行完毕后，再执行route，查看路由表，目前的默认路由为有线网络的网关（eth0排第一位）：
这样网络就默认走有线网络了，如果需要改回默认走4G网络，请重启系统即可。
注意，重启后路由表还是会恢复原状，所以如果重启后要网络继续默认走有线网络，需要再执行一次sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1。
4.8.3 AT命令操作
以高通4G LTE为例，使用lsusb查看USB设备，红框处即为4G模组：
记下4G模块的ID值：05c6 90b6
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 05c6 90b6 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'
执行上述两条命令之后执行：
ls /dev/ttyUSB*
此时应该能看到dev设备下有ttyUSB0-3三个设备：
然后用串口工具打开特定串口（AT命令串口）：
安装minicom工具：
sudo apt-get install minicom
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）
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。
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。
7. APN设置
普通手机SIM卡，不需要任何设置，直接使用；有些物联网卡需要设置APN才能使用，以下是用户使用提供的参考，具体的APN代码需要SIM卡运营商提供。
移动卡：
AT+CPNETAPN=0,"cmnet","",""
电信卡：
AT+CPNETAPN=0,"ctnet","",""
4.8.4 修改4G模组的IP地址
如果出厂默认的4G IP地址和用户使用的IP地址有冲突，或有修改IP地址的需求，可按照下列步骤进行修改：
CAT4 4G模块：
执行AT命令：
AT+ROUTEIP=<newip>
注意，只支持192.168.x.1这样格式的地址，如果设置了AT+ROUTEIP=192.168.3.1，最终获得的IP为192.168.3.100，修改完后需断电重启系统。
查询当前IP：AT+ROUTEIP?，返回两个值，前一个为旧IP，后一个为新IP。
测试命令：AT+ROUTEIP=?
高通 4G模块、ZTE CAT4 4G模块：
将4G模块的IP改为直接获取公网IP即可，请执行AT命令：
设置IP为公网：AT+GTIPPASS=1
设置IP为内网：AT+GTIPPASS=0
查询当前IP为公网还是内网：AT+GTIPPASS?
修改IP完毕后需要断电重启才能生效。
4.8.5 4G的GPS操作
高通4G-GPS和EC20 GPS语音简版，这两款4G均支持GPS功能。高通4G需要配无源GPS天线，EC20 4G需要配有源GPS天线。
高通4G-GPS的GPS操作：
输入命令lsusb，如下图所示：
记下4G模块的ID值：05c6 90b6
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 05c6 90b6 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'
执行以上两条命令后系统应该会多出ttyUSB0-2三个设备，输入ls /dev/ttyUSB*可以查看：
运行minicom，打开ttyUSB0串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB0
并运行：
at+gtgpsepo=1 //开启AGPS
at+gtgpspower=1 //打开GPS
稍等片刻待定位成功，运行：
at+gtgps? //查看NMEA信息
就可以看到GPS信息输出：
EC20 GPS语音简版的GPS操作：
输入命令lsusb，如下图所示：
记下4G模块的ID值：2c7c 0125
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 0125 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'
执行以上两条命令后系统应该会多出ttyUSB0-3四个设备，输入ls /dev/ttyUSB*可以查看：
运行minicom，打开ttyUSB3串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB3
并运行：
AT+QGPS=1 //打开GPS
运行成功后打开ttyUSB1：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB1
就可以看到该串口有GPS信息输出，稍等片刻即可定位：
4.9 测试开关机按键
CM5IO_Plus扩展板带有一个开关机按键，开机状态下，按一下按键，弹出关机菜单：
再按一下按键，直接关机；
关机状态下（需接电源）按一下按键，上电开机。
4.10 测试PoE电源输入
CM5IO_Plus扩展板支持PoE取电，可提供5V4.5A输出。我们将支持PoE供电的路由器的网线连接至扩展板的千兆网口，这样就完成了硬件连接，板子即可通过网线供电。PoE供电和USB-C电源口供电不可同时使用。
板载PoE模组参数：
25.5W（5V4.5A） PoE模组，支持IEEE802.3af/at compliant
支持37-57V输入，典型值48V
带过热保护，短路保护，过流保护
1.5KVrms绝缘等级
PSE供电设备要求：
支持IEEE802.3af/at compliant
至少支持30W输出能力
48V输出，1,2+/3,6-供电
4.11 测试HDMI
CM5IO_Plus扩展板具有两个HDMI输出口，支持分别输出图像信号和同时输出图像信号，同时输出图像信号的效果如下：
32.jpg
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