# 硬件详细设计文档

## 1. 文档说明

### 1.1 文档目的

本文档用于描述硬件系统的详细设计方案，包括系统总体架构、各功能模块原理图设计、关键器件选型、接口电路设计、PCB 布局布线要求、硬件调试方法、测试验证方案以及风险控制措施。

本文档作为硬件规格书的细化文档，用于指导原理图绘制、PCB Layout、硬件评审、样机调试、软件驱动适配和后续版本迭代。

### 1.2 适用范围

本文档适用于以下工作：

- 主控板详细硬件设计；
- 传感器接口电路设计；
- 电源系统设计；
- 以太网接口设计；
- 存储接口设计；
- 调试下载接口设计；
- 外部连接器与板间接口设计；
- PCB 布局布线；
- 硬件样机调试；
- 硬件设计评审；
- 下水测试前硬件问题闭环。

### 1.3 参考文档

- 《硬件规格书》
- STM32H7 系列数据手册
- STM32H7 系列参考手册
- LAN8742 / LAN8720 PHY 数据手册
- ADIS16480 / ADIS16488 数据手册
- STIM300 数据手册
- K922 GNSS 模块数据手册
- SDNAND / eMMC 数据手册
- ThreadX / FileX / NetX Duo 相关文档
- 产品结构设计文档
- 原型机测试问题记录

### 1.4 版本记录

| 版本 | 日期 | 作者 | 修改说明 |
|---|---|---|---|
| V0.1 | 2026-05-21 | XXX | 初版创建 |

---

## 2. 系统设计概述

### 2.1 系统定位

本硬件系统面向惯性导航、组合导航、数据采集、网络通信、文件存储和设备配置等应用场景。系统以 STM32H7 双核 MCU 为核心，连接 IMU、GNSS、以太网 PHY、存储器、外部 COM 口、调试接口和状态指示电路。

系统需要支持以下主要功能：

1. IMU 数据采集；
2. GNSS 数据接收与 PPS 时间同步；
3. 以太网通信；
4. HTTP WebServer 配置页面；
5. FTP 或 HTTP 文件传输；
6. 本地文件系统；
7. COM 口配置；
8. CLI 调试；
9. 双核协同运行；
10. 下水测试环境适应性。

### 2.2 系统总体框图

```mermaid
flowchart LR
    VIN[外部电源输入] --> PWR[电源管理模块]

    PWR --> V33[3.3V 电源轨]
    PWR --> V18[1.8V 电源轨]
    PWR --> VIMU[IMU 低噪声电源]
    PWR --> VGNSS[GNSS 电源]

    V33 --> MCU[STM32H7 双核 MCU]
    VIMU --> IMU[IMU 模块]
    VGNSS --> GNSS[GNSS 模块]

    MCU --> IMU
    MCU --> GNSS
    MCU --> PHY[以太网 PHY]
    PHY --> MAG[网络隔离变压器]
    MAG --> RJ45[RJ45 接口]

    MCU --> SD[SDNAND / eMMC 存储]
    MCU --> COM[外部 COM 口]
    MCU --> DEBUG[SWD / UART / RTT 调试]
    MCU --> LED[状态指示灯]
    MCU --> FPC[板间连接器]
```

### 2.3 硬件模块划分

| 模块 | 主要功能 |
|---|---|
| 主控 MCU 模块 | 系统控制、任务调度、外设驱动、网络协议栈、文件系统 |
| 电源模块 | 输入保护、电压转换、电源滤波、电源时序控制 |
| IMU 接口模块 | 高速惯性数据采集、同步信号、复位控制 |
| GNSS 接口模块 | NMEA/RTCM 数据接收、PPS 时间同步 |
| 以太网模块 | 10/100 Mbps 网络通信 |
| 存储模块 | 文件系统、日志、配置文件、数据文件存储 |
| COM 接口模块 | 外部串口通信和参数配置 |
| 调试模块 | SWD 下载、串口调试、日志输出 |
| 指示灯与按键模块 | 设备运行状态显示和人工操作 |
| 板间连接模块 | 主板与接口板、电源板或外部模块连接 |

---

## 3. 主控 MCU 模块详细设计

### 3.1 MCU 选型

主控芯片选用 STM32H755 / STM32H747 或同系列兼容型号。

| 项目 | 设计要求 |
|---|---|
| 内核 | Cortex-M7 + Cortex-M4 |
| 主频 | CM7 最高 480 MHz，CM4 最高 240 MHz |
| 网络 | 支持 Ethernet MAC |
| 存储接口 | 支持 SDMMC |
| 通信接口 | UART、SPI、I2C、USB、CAN 可选 |
| 调试接口 | SWD / JTAG |
| RTOS 支持 | ThreadX |
| 双核通信 | OpenAMP / RPMsg |

### 3.2 双核功能分工

| 内核  | 建议职责                           |
| --- | ------------------------------ |
| CM7 | 网络协议栈、文件系统、WebServer、FTP、主业务逻辑 |
| CM4 | 传感器采集、实时处理、时间同步、COM数据上报        |

说明：

1. CM7 性能更高，适合运行 NetX Duo、FileX、WebServer、FTP 等资源消耗较大的任务；
2. CM4 可用于实时性较强但计算量相对可控的采集任务；
3. 双核之间通过 OpenAMP/RPMsg 传递传感器数据、配置命令和日志信息；
4. 需要明确共享内存区域，并通过 MPU 和缓存策略保证数据一致性。

### 3.3 MCU 电源设计

STM32H7 电源设计需要重点关注以下部分：

| 电源引脚 | 设计要求 |
|---|---|
| VDD | 接 3.3 V 数字电源 |
| VCAP | 按数据手册连接低 ESR 电容 |
| VDDA | 模拟电源，建议使用磁珠或 RC 滤波 |
| VREF+ | ADC 参考电压，若不用 ADC 也应按手册处理 |
| VBAT | RTC 备份电源，可接电池或 3.3 V |
| VDDUSB | 使用 USB 时按要求供电 |

设计要求：

1. 每个 VDD 引脚附近放置 0.1 uF 去耦电容；
2. 每组电源区域增加 1 uF 或 4.7 uF 储能电容；
3. VCAP 电容必须靠近 MCU；
4. VDDA 建议单点接入并增加滤波；
5. 电源走线应短、粗、低阻抗；
6. MCU 底部应保证完整地参考。

### 3.4 复位与启动配置

#### 3.4.1 NRST 设计

NRST 设计要求：

1. NRST 上拉到 3.3 V；
2. 预留复位按键；
3. 连接到 SWD 调试接口；
4. 可根据需要增加 RC 滤波；
5. 避免 NRST 走线过长或靠近强干扰信号。

#### 3.4.2 BOOT 配置

BOOT 引脚设计要求：

1. 默认启动用户 Flash；
2. 预留 BOOT0 测试点或跳帽；
3. BOOT0 状态应具有确定电平；
4. 支持进入系统 Bootloader，便于量产或救砖。

### 3.5 时钟设计

#### 3.5.1 以太网 REF_CLK

RMII 模式需要 50 MHz 参考时钟。

可选方案：

| 方案                    | 说明             |
| --------------------- | -------------- |
| PHY 输出 REF_CLK 给 MCU  | 常见 RMII 方案     |
| 外部有源晶振同时提供给 PHY 和 MCU | 时钟质量较好         |
| MCU 输出 MCO 给 PHY      | 需确认抖动和时序是否满足要求 |


---

## 4. 电源系统详细设计

### 4.1 电源输入

电源输入根据系统结构选择 5 V、12 V 或其他电压。

输入端应包含：

1. 保险丝或自恢复保险丝；
2. 反接保护；
3. TVS 管；
4. 输入滤波电容；
5. 电源指示灯；
6. 必要时增加共模电感或 LC 滤波。

### 4.2 电源树设计

```mermaid
flowchart TB
    VIN[VIN 输入] --> PROTECT[输入保护]
    PROTECT --> DCDC1[DCDC: 5V/3.3V]
    DCDC1 --> V33[3.3V 主电源]

    V33 --> MCU[MCU]
    V33 --> PHY[以太网 PHY]
    V33 --> SD[SDNAND/eMMC]
    V33 --> IO[外部 IO]

    V33 --> LDO_IMU[低噪声 LDO]
    LDO_IMU --> VIMU[IMU 电源]

    V33 --> LDO_GNSS[GNSS 电源控制]
    LDO_GNSS --> VGNSS[GNSS 电源]
```

### 4.3 电源轨设计

| 电源轨 | 用途 | 设计要求 |
|---|---|---|
| VIN | 外部输入 | 具备防反接、过流、浪涌防护 |
| 5V | 中间电源或外设供电 | 根据系统需求配置 |
| 3V3 | MCU、PHY、存储器、IO | 主电源，需满足总电流需求 |
| 1V8 | 部分存储器或外设 | 根据具体器件配置 |
| VIMU | IMU 电源 | 低噪声、低纹波、独立滤波 |
| VGNSS | GNSS 电源 | 考虑启动电流和电源使能控制 |
| VBAT | RTC 备份 | 可接电池或 3.3 V |

### 4.4 电源芯片选型原则

1. 输入电压范围满足系统供电要求；
2. 输出电流至少保留 30% 余量；
3. DCDC 开关频率不应干扰 IMU、GNSS 和通信接口；
4. IMU 供电优先使用低噪声 LDO/DCDC；
5. 电源芯片应具备过流、过温保护；
6. 关键电源轨应支持测试和调试。

### 4.5 电源布局要求

1. DCDC 输入电容、功率电感、续流路径必须紧凑；
2. 开关节点 SW 铜皮面积不宜过大；
3. 电源芯片远离 IMU、GNSS 天线和晶振；
4. 大电流路径不要穿过敏感模拟区域；
5. 每个电源输出点预留测试点；
6. 模拟电源和数字电源通过磁珠或电阻隔离。

---

## 5. IMU 接口详细设计

### 5.1 IMU 兼容设计

系统需要兼容 STIM300、ADIS16480、ADIS16488 或其他同类 IMU。

| IMU 类型    | 主要接口         | 设计关注点                  |
| --------- | ------------ | ---------------------- |
| STIM300   | RS422 / UART | 电平转换、差分接口、安装方向         |
| ADIS16480 | SPI          | SPI Mode 3、16 位传输、DRDY |
| ADIS16488 | SPI          | SPI Mode 3、16 位传输、DRDY |

### 5.2 SPI IMU 接口设计

SPI IMU 连接信号如下：

| 信号 | 连接方式 |
|---|---|
| SPI_SCK | MCU SPI_SCK |
| SPI_MISO | MCU SPI_MISO |
| SPI_MOSI | MCU SPI_MOSI |
| SPI_CS | MCU GPIO 控制 |
| IMU_DRDY | MCU EXTI 中断输入 |
| IMU_RST | MCU GPIO 控制，建议预留 |
| IMU_SYNC | MCU 定时器或 GPIO，按需求预留 |

设计要求：

1. SPI 片选使用独立 GPIO 控制；
2. SCK、MOSI、MISO 可串联 22 Ω ~ 33 Ω 阻尼电阻；
3. DRDY 必须接入支持中断的 GPIO；
4. IMU_RST 建议预留，方便异常恢复；
5. 若 IMU 支持同步输入，应预留 SYNC 信号；
6. SPI 走线尽量短，避免跨板传输。

### 5.3 RS422 IMU 接口设计

如果支持 STIM300 等 RS422 输出设备，应设计 RS422 收发器。

典型信号：

| 信号 | 说明 |
|---|---|
| RX+ / RX- | IMU 到 MCU 数据 |
| TX+ / TX- | MCU 到 IMU 命令，可选 |
| GND | 信号参考地 |
| VIMU | IMU 供电 |

设计要求：

1. RS422 差分线成对布线；
2. 终端电阻按链路长度和器件要求配置；
3. 外部接口增加 ESD 防护；
4. 收发器电源与 MCU IO 电平匹配；
5. 接口连接器应明确方向和防呆。

### 5.4 IMU 电源设计

IMU 对电源噪声较敏感，应采用独立低噪声电源。

设计要求：

1. IMU 电源由低噪声 LDO 输出；
2. LDO 输入来自 3.3 V 或 5 V；
3. IMU 电源入口放置磁珠和去耦电容；
4. IMU 附近放置 0.1 uF、1 uF、10 uF 电容；
5. IMU 电源测试点必须预留；
6. IMU 供电不与开关电源大电流路径共用细长走线。

### 5.5 IMU 机械与布局设计

1. IMU 尽量靠近设备安装基准面；
2. IMU 附近避免放置 DCDC、电感、RJ45、PHY 等噪声源；
3. IMU 坐标系必须在 PCB 丝印和结构图中明确；
4. IMU 应与设备壳体刚性连接；
5. IMU 下方和周围尽量保持完整地；
6. 结构固定螺丝位置应避免对 IMU 区域产生机械应力。

---

## 6. GNSS 接口详细设计

### 6.1 GNSS 模块连接

GNSS 模块主要通过 UART 与 MCU 通信，并通过 PPS 信号实现时间同步。

| 信号 | 连接方式 |
|---|---|
| GNSS_TX | MCU UART_RX |
| GNSS_RX | MCU UART_TX |
| GNSS_PPS | MCU 定时器输入捕获 |
| GNSS_RST | MCU GPIO |
| GNSS_EN | MCU GPIO 或电源开关 |
| VGNSS | GNSS 电源 |
| GND | 系统地 |

### 6.2 UART 设计要求

1. UART 电平必须与 GNSS 模块匹配；
2. GNSS_TX/GNSS_RX 预留测试点；
3. 如外部连接 GNSS，需要增加 ESD 防护；
4. 若接口线较长，可考虑差分转换；
5. GNSS_RX 建议预留，便于发送配置命令。

### 6.3 PPS 设计要求

PPS 是时间同步关键输入。

设计要求：

1. PPS 接入 MCU 定时器输入捕获通道；
2. PPS 走线短且远离高速开关信号；
3. PPS 输入电平与 MCU 兼容；
4. PPS 预留测试点；
5. PPS 允许配置上拉或下拉；
6. 软件应基于 PPS 捕获时间戳进行系统时间校准。

### 6.4 GNSS 天线与射频设计

如使用外置有源天线，应考虑：

1. 天线接口类型；
2. 天线供电方式；
3. 射频走线阻抗；
4. 静电防护；
5. 防雷或浪涌保护；
6. 天线座位置远离噪声源；
7. 射频路径尽量短且阻抗连续。

### 6.5 GNSS 电源控制

GNSS 模块建议支持独立电源控制。

设计目的：

1. 支持模块冷启动；
2. 支持异常状态下重新上电；
3. 降低待机功耗；
4. 便于测试 GNSS 启动过程。

---

## 7. 以太网接口详细设计

### 7.1 以太网方案

系统采用 STM32H7 内置 Ethernet MAC + 外部 PHY 的方案，接口模式采用 RMII。

| 项目 | 设计 |
|---|---|
| MAC | STM32H7 内置 Ethernet MAC |
| PHY | LAN8742 / LAN8720 / 兼容芯片 |
| 接口 | RMII |
| 速率 | 10/100 Mbps |
| 协议栈 | NetX Duo |
| 应用 | HTTP、FTP、TCP、UDP |

### 7.2 RMII 信号连接

| RMII 信号 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| REF_CLK | PHY/外部时钟 -> MCU | 50 MHz 参考时钟 |
| MDIO | 双向 | PHY 管理数据 |
| MDC | MCU -> PHY | PHY 管理时钟 |
| CRS_DV | PHY -> MCU | 接收数据有效 |
| RXD0 | PHY -> MCU | 接收数据 bit0 |
| RXD1 | PHY -> MCU | 接收数据 bit1 |
| TX_EN | MCU -> PHY | 发送使能 |
| TXD0 | MCU -> PHY | 发送数据 bit0 |
| TXD1 | MCU -> PHY | 发送数据 bit1 |
| PHY_RST | MCU -> PHY | PHY 复位 |

设计要求：

1. RMII 走线短、等长、同层或相邻参考地层；
2. REF_CLK 重点控制走线长度和干扰；
3. MDIO 需要上拉电阻；
4. PHY 地址配置电阻必须明确；
5. PHY_RST 应由 MCU 控制或 RC 复位；
6. PHY 电源必须充分去耦。

### 7.3 PHY 地址配置

PHY 地址由硬件上拉/下拉决定。

设计要求：

1. 原理图中明确 PHY 地址；
2. 软件驱动中的 PHY 地址必须与硬件一致；
3. 地址配置电阻不可悬空；
4. 如果多个 PHY 共用 MDIO，应确保地址不冲突。

### 7.4 网络隔离与 RJ45 设计

以太网 MDI 信号路径：

```text
PHY <-> 网络隔离变压器 <-> RJ45 <-> 外部网线
```

设计要求：

1. 网络隔离变压器靠近 RJ45；
2. RJ45 接口附近布置 ESD 防护；
3. MDI 差分线按 100 Ω 差分阻抗设计；
4. 差分线等长、少打孔、不跨分割地；
5. Bob Smith 终端按 PHY 和变压器参考设计处理；
6. RJ45 屏蔽壳接地方式根据 EMC 方案确定。
---

## 9. COM 接口详细设计

### 9.1 COM 口用途

COM 口用于外部设备通信、参数配置、调试输出或 CLI 操作。

| 接口   | 用途  |
| ---- | --- |
| COM1 | 可配置 |
| COM2 | 可配置 |
| COM3 | 可配置 |
| COM4 | 可配置 |

### 9.2 电平标准

根据外部设备需求选择：

| 电平 | 适用场景 |
|---|---|
| 3.3 V TTL | 板内或短距离连接 |
| RS232 | 传统串口设备 |
| RS485 | 长距离半双工通信 |
| RS422 | 长距离全双工通信 |

设计要求：

1. 外部 COM 口从MCU的TTL电平转成RS422/RS232；
2. 应根据接口标准增加收发器；
3. 外部接口增加 ESD 防护；
4. RS422 根据需要配置终端电阻；

### 9.3 COM 口防护设计

外部串口接口建议增加：

1. TVS 管；
2. 共模电感，可选；
3. 串联限流电阻；
4. 防反接连接器定义；
5. 地线和屏蔽连接设计。

---

## 10. 调试与下载接口详细设计

### 10.1 SWD 调试接口

SWD 接口必须保留。

| 信号     | 说明     |
| ------ | ------ |
| SWDIO  | 调试数据   |
| SWCLK  | 调试时钟   |
| NRST   | 复位     |
| GND    | 地      |
| LOG_RX | 日志串口输出 |
| LOG_TX | 日志串口输入 |


设计要求：

1. 调试接口靠近板边；
2. 支持插针、排针或 Tag-Connect；
3. SWDIO/SWCLK 走线短；
4. NRST 连接调试器；
5. VREF 连接目标 IO 电源；
6. 调试口附近标注方向和引脚序号。

### 10.2 UART 调试接口

UART 调试接口用于 CLI 和日志输出。

设计要求：

1. TX/RX 不得接反；
2. 接口电平明确；
3. 预留 GND；
4. 若对外暴露，应增加 ESD 防护。

---

## 11. 指示灯与按键详细设计

### 11.1 状态指示灯

| 指示灯 | 功能 | 建议状态 |
|---|---|---|
| PWR_LED | 电源状态 | 上电常亮 |
| RUN_LED | 系统运行 | 正常运行周期闪烁 |
| ERR_LED | 错误状态 | 错误时点亮或快闪 |
| ETH_LED | 网络状态 | Link / Active |
| LOG_LED | 存储状态 | 写入时闪烁 |

设计要求：

1. LED 电流不宜过大；
2. LED 颜色与功能匹配；
3. 关键状态应便于外壳观察；
4. 若由 MCU 控制，应保证默认状态安全。

### 11.2 按键设计

| 按键 | 功能 |
|---|---|
| RESET | 系统复位 |
| BOOT | 进入 Bootloader |
| USER | 用户自定义 |

设计要求：

1. 按键输入需要上拉或下拉；
2. 必要时增加 RC 去抖；
3. 外部按键需要 ESD 防护；
4. BOOT 按键避免误触发。

---

## 12. 板间连接与外部连接器设计

### 12.1 板间连接设计原则

设计原则：

1. 电源和地引脚数量充足；
2. 高速信号旁边分配地引脚；
3. 差分信号成对相邻；
4. 插座方向防呆；
5. 引脚定义避免反插损坏；
6. 预留扩展信号。

### 12.2 FPC 引脚分配建议

| 类型      | 设计建议              |
| ------- | ----------------- |
| 电源      | 多个 VIN / 3V3 引脚并联 |
| 地       | 每隔数个信号放置 GND      |
| 以太网 MDI | 差分对相邻并靠近 GND      |
| UART    | TX/RX 相邻并预留 GND   |
| 控制信号    | RESET、ENABLE、INT  |
| 备用 IO   | 预留若干 GPIO         |

### 12.3 连接器防护

外部连接器应考虑：

1. ESD；
2. 浪涌；
3. 防反插；
4. 防水；
5. 机械强度；
6. 插拔寿命；
7. 线缆屏蔽接地。

---

## 13. PCB 详细设计要求

### 13.1 推荐层叠

推荐使用 4 层或 6 层 PCB。

#### 4 层板推荐

| 层 | 用途 |
|---|---|
| L1 | 器件与高速信号 |
| L2 | 完整地平面 |
| L3 | 电源与低速信号 |
| L4 | 低速信号与接口 |

#### 6 层板推荐

| 层 | 用途 |
|---|---|
| L1 | 器件与关键信号 |
| L2 | 完整地平面 |
| L3 | 电源平面 |
| L4 | 内层信号 |
| L5 | 地平面 |
| L6 | 接口与低速信号 |


### 13.2 IMU 布局

1. IMU 远离电源、电感、PHY、RJ45；
2. IMU 靠近结构安装基准；
3. IMU 区域保持完整地；
4. IMU 安装方向丝印明确；
5. IMU 周围避免大电流回流路径；
6. IMU 电源滤波器件靠近 IMU。

### 13.3 以太网布局

1. PHY 靠近 MCU；
2. RJ45 靠近板边；
3. 网络变压器靠近 RJ45；
4. MDI 差分线短且阻抗连续；
5. RMII 线尽量短；
6. REF_CLK 避免穿越复杂区域；
7. RJ45 附近布置 ESD；
8. PHY 电源去耦紧凑。


### 13.4 电源布局

1. DCDC 功率环路最小化；
2. SW 节点远离敏感信号；
3. LDO 靠近负载；
4. 输入输出电容靠近芯片；
5. 大电流回流路径直接且宽；
6. 不让电源噪声流过 IMU 地参考。

### 13.7 接地设计

1. 保证完整地平面；
2. 高速信号不跨分割地；
3. 外部接口防护地和系统地按 EMC 策略连接；
4. IMU 参考地保持干净；
5. 电源大电流回流路径不要经过敏感区；
6. 多层板优先使用完整 GND 层。

---

## 14. EMC 与 ESD 详细设计

### 14.1 ESD 防护对象

以下接口必须重点考虑 ESD：

- 电源输入；
- RJ45；
- 外部 COM 口；
- GNSS 天线接口；
- 外部IO与扩展IO。

### 14.2 ESD 器件布局原则

1. ESD 器件靠近接口；
2. 放电路径短而宽；
3. ESD 地回流路径直接；
4. 受保护信号先经过 ESD 再进入核心电路；
5. 高速信号 ESD 器件寄生电容要低。

### 14.3 EMC 设计措施

| 问题 | 措施 |
|---|---|
| 电源噪声 | 输入滤波、DCDC 布局优化、LDO 隔离 |
| 时钟辐射 | 缩短时钟线、完整地参考、远离板边 |
| 网口干扰 | 差分阻抗、变压器、共模抑制 |
| 串口外部干扰 | TVS、串阻、共模电感 |
| IMU 噪声敏感 | 低噪声电源、远离开关电源 |
| GNSS 射频敏感 | 天线远离高速数字和开关电源 |

---

## 15. 硬件可测试性设计

### 15.1 测试点设计

必须预留以下测试点：

| 类型 | 测试点 |
|---|---|
| 电源 | VIN、5V、3V3、1V8、VIMU、VGNSS |
| 调试 | SWDIO、SWCLK、NRST、BOOT0 |
| 串口 | CLI_TX、CLI_RX、GNSS_TX、GNSS_RX |
| IMU | SPI_SCK、SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_CS、IMU_DRDY |
| GNSS | PPS |
| 以太网 | REF_CLK、MDIO、MDC、PHY_RST |
| 存储 | SDMMC_CLK、CMD、D0 |
| 状态 | RUN_LED、ERR_LED 控制脚 |

---

## 16. 硬件调试流程

### 16.1 上电前检查

1. 检查电源输入是否短路；
2. 检查 3.3 V、1.8 V、VIMU 对地阻抗；
3. 检查焊接方向；
4. 检查 MCU、PHY、存储器、IMU 是否有虚焊；
5. 检查电源芯片反馈电阻；
6. 检查 BOOT 和 NRST 状态。

### 16.2 首次上电

1. 使用限流电源；
2. 从低电流限制开始上电；
3. 检查输入电流是否异常；
4. 测量各路电源电压；
5. 检查 MCU 是否发热；
6. 尝试 SWD 连接。

### 16.3 MCU 基础调试

1. 下载最小固件；
2. 点亮 RUN_LED；
3. 验证系统时钟；
4. 验证 UART 输出；
5. 验证 SysTick 或 ThreadX Tick；
6. 验证双核启动。

### 16.4 外设调试顺序

1. 电源；
2. SWD；
3. 时钟；
4. UART；
5. GPIO / LED / 按键；
6. IMU；
7. GNSS；
8. SDMMC 存储；
9. 以太网 PHY；
10. NetX Duo；
11. FileX；
12. HTTP / FTP；
13. 双核 OpenAMP；
14. 全系统联调。

---

## 17. 测试验证方案

### 17.1 基础功能测试

| 测试项 | 测试方法 | 通过标准 |
|---|---|---|
| 电源测试 | 测量各电源轨 | 电压稳定且纹波满足要求 |
| SWD 下载 | 使用调试器连接 | 可识别芯片并下载固件 |
| 时钟测试 | 示波器测量或软件验证 | HSE、系统时钟正常 |
| UART 测试 | 串口助手收发 | 数据收发正常 |
| IMU 测试 | 读取 ID 和数据 | 数据稳定无异常 |
| GNSS 测试 | 接收 NMEA | 可稳定输出定位报文 |
| PPS 测试 | 定时器捕获 | 1 Hz 脉冲捕获正常 |
| SDMMC 测试 | 文件读写 | 可创建、写入、读取、删除文件 |
| 以太网测试 | Ping / TCP 连接 | 网络连接稳定 |
| WebServer 测试 | 浏览器访问页面 | 页面和接口响应正常 |

### 17.2 稳定性测试

| 测试项 | 测试时间 | 通过标准 |
|---|---|---|
| 长时间运行 | 24 h | 无死机、无异常重启 |
| 网络传输 | 2 h | 文件传输无中断 |
| 存储写入 | 2 h | 文件系统无损坏 |
| IMU 连续采集 | 24 h | 数据连续无丢帧 |
| GNSS 连续接收 | 24 h | 报文稳定 |
| 温升测试 | 1 h 以上 | 器件温度满足设计要求 |

### 17.3 异常测试

| 场景 | 测试方法 | 目标 |
|---|---|---|
| 异常断电 | 写文件过程中断电 | 验证文件系统恢复能力 |
| 网线插拔 | 运行中插拔网线 | 验证网络恢复能力 |
| GNSS 断开 | 移除 GNSS 信号 | 验证异常处理 |
| IMU 复位 | 拉低 IMU_RST | 验证驱动恢复 |
| 存储繁忙 | FTP 与日志同时写入 | 验证并发访问保护 |
| 高负载网络 | 连续上传下载 | 验证 NetX Packet Pool 和 DMA 稳定性 |

---

## 18. 风险分析与设计闭环

### 18.1 已知风险

| 风险               | 影响           | 设计措施               |
| ---------------- | ------------ | ------------------ |
| 外部接口 ESD 损坏      | 设备异常或损坏      | 接口增加 ESD 防护        |

### 18.2 风险闭环流程

```mermaid
flowchart LR
    A[发现问题] --> B[记录现象]
    B --> C[定位原因]
    C --> D[提出硬件修改]
    D --> E[设计评审]
    E --> F[更新原理图/PCB]
    F --> G[样机验证]
    G --> H{是否解决}
    H -- 是 --> I[关闭问题]
    H -- 否 --> C
```

---

## 19. 原理图评审检查表

### 19.1 MCU

- [ ] MCU 型号与封装正确；
- [ ] 所有 VDD / VSS 引脚连接正确；
- [ ] NRST 电路正确；
- [ ] BOOT 配置正确；
- [ ] SWD 接口完整；
- [ ] 各个信号分配管脚合理

### 19.2 电源

- [ ] 输入保护完整；
- [ ] DCDC 反馈电阻正确；
- [ ] LDO 输出电压正确；
- [ ] 电源芯片电流余量足够；
- [ ] IMU 低噪声电源独立；
- [ ] GNSS 电源可控；
- [ ] 所有电源轨有测试点；
- [ ] 电源时序满足要求。

### 19.3 IMU

- [ ] IMU 型号和接口确认；
- [ ] SPI 模式和引脚连接正确；
- [ ] DRDY 接入中断引脚；
- [ ] RST / SYNC 预留；
- [ ] 电源滤波充分；
- [ ] 安装方向明确；
- [ ] 接口电平匹配。

### 19.4 GNSS

- [ ] UART TX/RX 未接反；
- [ ] GNSS 电源满足启动电流；
- [ ] GNSS_RST 设计合理；
- [ ] 天线接口和供电设计正确；
- [ ] 外部接口 ESD 防护完整。

### 19.5 以太网

- [ ] PHY 型号正确；
- [ ] RMII 信号连接正确；
- [ ] PHY 地址配置正确；
- [ ] MDIO 上拉正确；
- [ ] REF_CLK 方案明确；
- [ ] PHY_RST 正确；
- [ ] 网络变压器连接正确；
- [ ] RJ45 ESD 防护完整。

### 19.6 外部接口

- [ ] 连接器方向明确；
- [ ] 引脚定义防呆；
- [ ] 电源和地数量充足；
- [ ] 外部接口 ESD 完整；
- [ ] 差分信号成对设计；

---

## 20. PCB 评审检查表

### 20.1 通用检查

- [ ] PCB 尺寸符合结构要求；
- [ ] 安装孔位置正确；
- [ ] 器件高度满足结构限制；
- [ ] 地平面完整；
- [ ] 电源走线宽度满足电流；
- [ ] 关键测试点可接触；
- [ ] 丝印方向清晰；
- [ ] 接口位置方便装配。

### 20.2 高速与敏感信号

- [ ] RMII 信号短且参考地完整；
- [ ] REF_CLK 远离噪声源；
- [ ] MDI 差分阻抗满足要求；
- [ ] SDMMC 走线长度合理；
- [ ] SPI IMU 走线短；
- [ ] 晶振区域无高速信号穿越；
- [ ] IMU 区域远离电源和以太网。

### 20.3 电源与 EMC

- [ ] DCDC 环路面积最小；
- [ ] SW 节点远离敏感区域；
- [ ] 输入保护器件靠近接口；
- [ ] ESD 器件靠近接口；
- [ ] 大电流回流路径合理；
- [ ] 电源测试点完整；
- [ ] 模拟和数字区域布局合理。

---

## 21. 设计输出物

硬件设计完成后应输出以下文件：

1. 硬件规格书；
2. 硬件详细设计文档；
3. 原理图；
4. PCB Layout；
5. BOM；
6. 位号图；
7. Gerber 文件；
8. 坐标文件；
9. 生产工艺说明；
10. 硬件调试记录；
11. 硬件测试报告；
12. 问题闭环表。

---

## 22. 附录

### 22.1 常用缩写

| 缩写 | 含义 |
|---|---|
| MCU | 微控制器 |
| IMU | 惯性测量单元 |
| GNSS | 全球导航卫星系统 |
| PPS | 秒脉冲 |
| PHY | 以太网物理层芯片 |
| MAC | 以太网媒体访问控制器 |
| RMII | 精简媒体独立接口 |
| MDI | 介质相关接口 |
| SDMMC | SD/MMC 存储接口 |
| DMA | 直接内存访问 |
| MPU | 内存保护单元 |
| DCache | 数据缓存 |
| ESD | 静电放电 |
| EMC | 电磁兼容 |
| CLI | 命令行接口 |
| RTT | Real Time Transfer |
| FPC | 柔性扁平线缆 |

### 22.2 设计备注

1. 本文档中的具体器件型号、电阻电容参数、连接器型号和封装信息需要结合最终原理图进一步补充；
2. 以太网、SDMMC、IMU 等模块应结合样机实测结果继续修订；
3. 所有涉及 DMA 的缓冲区必须在软件内存规划中明确地址、大小、对齐和缓存属性；
4. 下水测试前应重点完成外部接口防护、结构固定、防水密封和长时间稳定性验证。