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## 1. 文档说明
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### 1.1 文档目的
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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。
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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。
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### 1.2 适用范围
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本文档适用于以下工作：
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- 主控板详细硬件设计；
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- 传感器接口电路设计；
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- 电源系统设计；
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- 以太网接口设计；
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- 存储接口设计；
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- 调试下载接口设计；
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- 外部连接器与板间接口设计；
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- PCB 布局布线；
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- 硬件样机调试；
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- 硬件设计评审；
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- 下水测试前硬件问题闭环。
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### 1.3 参考文档
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- STM32H7 系列数据手册
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- STM32H7 系列参考手册
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- LAN8742 / LAN8720 PHY 数据手册
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- ADIS16488 数据手册
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- STIM300 数据手册
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- K922 GNSS 模块数据手册
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- SDNAND / eMMC 数据手册
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- POS25产品规格书
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- 原型机测试问题记录
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### 1.4 版本记录
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| 版本 | 日期 | 作者 | 修改说明 |
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| :--: | :--------: | :-- | :------------------------------------------ |
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| V0.1 | 2026-05-21 | 赵天浩 | 初版创建 |
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| V0.2 | 2026-05-22 | 赵天浩 | 根据硬件规格书、三板架构、RS232/RS422接口规则、电源/存储/时间同步要求迭代 |
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## 1.5 本轮迭代重点
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本版本在上一版硬件详细设计文档基础上，结合《姿态系统硬件规格书》和当前接口讨论，对以下内容进行修订：
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| 迭代项 | 修订内容 | 影响范围 |
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| -------- | ------------------------------------------------------------------------------- | ------------- |
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| 三板架构 | 明确接口板、主板、IMU板的分工和电源/信号边界 | 系统架构、连接器、PCB |
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| 电源输入 | 将产品版输入目标统一为 9–36V DC，并补充反接、过压、浪涌、保险和掉电检测要求 | 电源、保护、测试 |
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| IMU兼容 | 明确 ADIS16488、SCH1633、STIM300 的接入路径，其中 SPI IMU 关注 DRDY，STIM300 关注 UART/RS422帧时间戳 | IMU接口、时间同步 |
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| GNSS/PPS | 明确 GNSS 双路 UART、PPS 输入捕获、状态脚和天线射频要求 | GNSS、时间同步、测试点 |
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| COM接口 | 明确 RS232 不加终端电阻；RS422 按链路需要预留可配置终端电阻；外部 COM 必须通过收发器和 ESD 防护 | 接口板、外部连接器 |
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| 存储与掉电保护 | 补充 16GB eMMC/SDNAND 存储目标、PWR_FAIL、保持供电和 FileX 安全关闭链路 | 存储、电源、软件联调 |
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| 以太网 | 强化 PHY、RMII、RJ45、网络隔离变压器、ESD 和 PTP 验证预留 | 以太网、PCB |
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| 可测试性 | 增加电源、PPS、IMU、GNSS、COM、以太网和存储相关测试点要求 | 产测、调试 |
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## 2. 系统设计概述
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### 2.1 系统定位
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本硬件系统面向船载/水下高精度组合航姿系统，承担 IMU 数据采集、GNSS 定位定向、PPS/PTP/Event 时间同步、COM 协议输出、以太网配置与文件传输、本地数据记录、电源保护、调试产测和外场测试等功能。系统以 STM32H7 双核 MCU 为核心，连接 IMU 板、GNSS 模块、以太网 PHY、eMMC/SDNAND 存储器、RS232/RS422 外部 COM 口、PPS/Event 接口、调试接口和状态指示电路。
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系统需要支持以下主要功能：
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1. IMU 数据采集；
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2. GNSS 数据接收与 PPS 时间同步；
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3. 以太网通信；
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4. HTTP WebServer 配置页面；
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5. FTP 或 HTTP 文件传输；
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6. 本地文件系统；
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7. COM 口配置；
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8. CLI 调试；
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9. 双核协同运行；
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10. 下水测试环境适应性。
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### 2.2 系统总体框图
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![[Drawing 2026-05-22 13.45.50.excalidraw.svg|697]]
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### 2.3 硬件模块划分
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| 模块 | 主要功能 |
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| --------- | ------------------------- |
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| 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 |
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| 电源模块 | 输入保护、电压转换、电源滤波、电源时序控制 |
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| IMU 接口模块 | 高速惯性数据采集、同步信号、复位控制 |
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| GNSS 接口模块 | NMEA/RTCM 数据接收、PPS 时间同步 |
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| 以太网模块 | 10/100 Mbps 网络通信 |
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| COM 接口模块 | 外部串口通信和参数配置 |
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| 调试模块 | SWD 下载、串口调试、日志输出 |
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| 指示灯与按键模块 | 设备运行状态显示和人工操作 |
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| 板间连接模块 | 主板与接口板、电源板或外部模块连接 |
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## 2.4 硬件目标追踪表
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| 规格项 | 设计目标 | 设计落实位置 | 验收方式 |
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| ----- | ------------------------------- | ------------------------ | ----------------- |
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| 输入电压 | 产品版 9–36V DC | 接口板电源输入与保护 | 电源拉偏、反接、瞬断测试 |
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| 主控 | STM32H747/H755 同级双核 MCU | 主板 MCU 核心板 | 上电、烧录、双核启动 |
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| IMU兼容 | ADIS16488、SCH1633、STIM300 | IMU板和主板接口 | 连续采集、丢帧统计 |
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| GNSS | 多频多星座 RTK，预留双天线 | 主板 GNSS 模块与天线座 | 定位、定向、PPS、RTCM测试 |
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| PPS | 接入 MCU 定时器输入捕获，输入侧按 100Ω目标校核 | 主板时间同步链路 | 示波器、万用表、捕获计数 |
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| PTP | 以太网链路预留 PTP 验证能力 | MCU ETH MAC + PHY | PTP主从测试 |
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| 通信 | Ethernet + 不少于 4 路 COM + 调试口 | 接口板 RS232/RS422、RJ45、调试座 | Ping、Web、FTP、串口抓包 |
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| 存储 | 16GB eMMC 或等效非易失存储，原型机可用 SDNAND | 主板存储模块 | 连续写入、文件读取、断电恢复 |
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| 掉电保护 | 掉电检测 + 保持供电 + 文件系统安全关闭 | 电源模块、存储模块、软件联调 | 写入中断电测试 |
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| 防护 | 产品版面向 IP67 结构和防水连接器 | 外部接口与结构件 | 结构评审、气密/浸水测试 |
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## 2.5 多板连接与分工说明
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![[Pasted image 20260522140141.png]]
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![[Pasted image 20260522140126.png]]
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### 2.5.1 接口板（Interface）
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主要负责对外通信与隔离
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| 主要模块 | 功能 |
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| ------------- | -------------------------------- |
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| DCDC降压模块 | 为整套系统提供稳定的5V电压输出，同时可拓宽系统的电压输入范围。 |
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| RS232/422转换电路 | 将核心的TTL电平转换为适合长距离通信的RS232/422信号。 |
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| 网变与RJ45接口 | 隔离外部物理链路与核心板的PHY芯片，保护作用 |
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| 调试端口座/8Pin | 包含调试需要用到的复位/下载/日志接口 |
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| RS232座/2*2Pin | 对外提供RS232信号的连接介质 |
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| RS422座/2*4Pin | 对外提供RS422信号的连接介质 |
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| 指示灯 | 显示系统运行状态 |
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### 2.5.2 主板（MB）
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负责导航运算，数据采集，GNSS报文处理等，对上提供接口板需要的信号，对下提供IMU板需要的通信协议。
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| 主要模块 | 功能 |
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| ------ | ------------------------- |
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| GNSS电源 | 把接口板传下来的5V输入转成3.3V供GNSS工作 |
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| MCU电源 | 把接口板传下来的5V输入转成3.3V供MCU工作 |
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| PHY电源 | 把接口板传下来的5V输入转成3.3V供PHY工作 |
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| MCU核心板 | 负责导航解算，传感器数据采集，数据上报 |
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| GNSS模组 | 负责接收卫星信号转换为TTL电平给MCU使用 |
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| PHY | 以太网中的物理层连接 |
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### 2.5.3 IMU板
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根据主板提供所支持的通信协议连接到不同型号的IMU上
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| 主要模块 | 功能 |
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| ----- | --------------------- |
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| IMU电源 | 转换主板上下来的5V电源为IMU的工作电压 |
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| IMU | 惯性测量单元，给MCU提供惯性数据 |
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## 3. 主控 MCU 核心板外围电路详细设计
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### 3.1 复位与启动配置
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#### 3.1.1 NRST 设计
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NRST 设计要求：
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1. NRST 上拉到 3.3 V；
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2. 连接到 SWD 调试接口；
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3. 可根据需要增加 RC 滤波；
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4. 避免 NRST 走线过长或靠近强干扰信号。
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#### 3.1.2 BOOT 配置
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BOOT 引脚设计要求：
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1. 默认直接下拉到 GND，确保量产状态从用户 Flash 启动；
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2. 建议预留测试点或 0Ω 电阻位置，便于调试阶段进入系统 Bootloader；
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3. BOOT 走线避免悬空和外部干扰；
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4. 原理图中应标注默认启动模式。
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## 4. 电源系统详细设计
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### 4.1 电源输入
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产品版电源输入目标为 9–36V DC。原型机若存在 4.5–28V 或 5V 输入等过渡方案，需要在原理图评审中单独标注差异。
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输入端应包含：
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1. 保险丝或自恢复保险丝；
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2. 反接保护；
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3. TVS 管；
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4. 输入滤波电容；
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5. 电源指示灯；
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6. 必要时增加共模电感或 LC 滤波。
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### 4.2 电源树设计
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![[Drawing 2026-05-22 10.46.22.excalidraw]]
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### 4.3 电源芯片选型原则
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1. 输入电压范围满足系统供电要求；
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2. 输出电流至少保留 30% 余量；
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3. DCDC 开关频率不应干扰 IMU、GNSS 和通信接口；
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4. IMU 供电优先使用低噪声 LDO/DCDC；
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5. 电源芯片应具备过流、过温保护；
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6. 关键电源轨应支持测试和调试。
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### 4.4 电源布局要求
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1. DCDC 输入电容、功率电感、续流路径必须紧凑；
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2. 开关节点 SW 铜皮面积不宜过大；
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3. 电源芯片远离 IMU、GNSS 天线和晶振；
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4. 大电流路径不要穿过敏感模拟区域；
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5. 每个电源输出点预留测试点；
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6. 模拟电源和数字电源通过磁珠或电阻隔离。
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## 5. IMU 接口详细设计
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### 5.1 IMU 兼容设计
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系统需要兼容 STIM300、SCH1633、ADIS16488 或其他同类 IMU。
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| IMU 类型 | 主要接口 | 设计关注点 |
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| --------- | ---- | ---------------------- |
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| STIM300 | UART | 安装方向 |
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| SCH1366 | SPI | SPI Mode 3、16 位传输、DRDY |
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| ADIS16488 | SPI | SPI Mode 3、16 位传输、DRDY |
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### 5.2 IMU 接口设计
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SPI IMU 连接信号如下：
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| 信号 | 连接方式 |
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| -------- | -------------------- |
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| SPI_SCK | MCU SPI_SCK |
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| SPI_MISO | MCU SPI_MISO |
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| SPI_MOSI | MCU SPI_MOSI |
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| SPI_CS | MCU GPIO 控制 |
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| IMU_DRDY | MCU EXTI 中断输入 |
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| IMU_RST | MCU GPIO 控制，建议预留 |
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| DIOx | IMU对外提供的事件信号或接收的事件信号 |
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| UART_TX | 兼容使用，提供TTL电平给IMU |
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| UART_RX | 兼容使用，提供TTL电平给IMU |
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设计要求：
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1. SPI 片选使用独立 GPIO 控制；
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2. SCK、MOSI、MISO 可串联 22 Ω ~ 33 Ω 阻尼电阻；
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3. DRDY 必须接入支持中断的 GPIO；
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4. DIOx必须有连入主控硬件定时器的引脚
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### 5.3 RS422 IMU 接口设计
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如果支持 STIM300 等 RS422 输出设备，应设计 RS422 收发器。
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典型信号：
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| 信号 | 说明 |
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|---|---|
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| RX+ / RX- | IMU 到 MCU 数据 |
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| TX+ / TX- | MCU 到 IMU 命令，可选 |
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| GND | 信号参考地 |
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| VIMU | IMU 供电 |
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设计要求：
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1. RS422 差分线成对布线；
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2. 终端电阻按链路长度和器件要求配置；
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3. 外部接口增加 ESD 防护；
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4. 收发器电源与 MCU IO 电平匹配；
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5. 接口连接器应明确方向和防呆。
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### 5.4 IMU 电源设计
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IMU 对电源噪声较敏感，应采用独立低噪声电源。
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设计要求：
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1. IMU 电源由低噪声 LDO/DCDC 输出；
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2. LDO 输入来自 3.3 V 或 5 V；
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3. IMU 电源入口放置磁珠和去耦电容；
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4. IMU 附近放置 0.1 uF、1 uF、10 uF 电容；
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5. IMU 电源测试点必须预留；
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6. IMU 供电不与开关电源大电流路径共用细长走线。
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### 5.5 IMU 机械与布局设计
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1. IMU 尽量靠近设备安装基准面；
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2. IMU 附近避免放置 DCDC、电感、RJ45、PHY 等噪声源；
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3. IMU 坐标系必须在 PCB 丝印和结构图中明确；
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4. IMU 应与设备壳体刚性连接；
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5. IMU 下方和周围尽量保持完整地；
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6. 结构固定螺丝位置应避免对 IMU 区域产生机械应力。
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## 6. GNSS 接口详细设计
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![[Pasted image 20260522134048.png]]
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### 6.1 GNSS 模块连接
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GNSS 模块主要通过 UART 与 MCU 通信，并通过 PPS 信号实现时间同步。
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| 信号 | 连接方式 |
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| ------------ | ----------- |
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| GNSS1_TX | MCU UART_RX |
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| GNSS1_RX | MCU UART_TX |
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| GNSS2_TX | MCU UART_RX |
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| GNSS2_RX | MCU UART_TX |
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| GNSS_PPS | MCU 定时器输入捕获 |
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| GNSS_RST | MCU GPIO |
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| VGNSS | GNSS 电源 |
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| GND | 系统地 |
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| GNSS_STATUSx | GNSS状态获取电平 |
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### 6.2 UART 设计要求
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1. UART 电平必须与 GNSS 模块匹配；
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2. GNSS_TX/GNSS_RX 预留测试点；
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3. 如外部连接 GNSS，需要增加 ESD 防护；
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4. 若接口线较长，可考虑差分转换；
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### 6.3 PPS 设计要求
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PPS 是时间同步关键输入，不允许仅作为普通 GPIO 轮询读取。
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设计要求：
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1. PPS 必须接入 MCU 定时器输入捕获通道；
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2. PPS 输入侧按 100Ω 输入内阻目标进行硬件校核；
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||
3. PPS 走线短且远离高速开关信号、RMII 时钟线、DCDC 开关节点；
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||
4. PPS 输入电平与 MCU 兼容，必要时增加限流、电平转换或保护电路；
|
||
5. PPS 预留测试点，测试点位置应便于示波器探头接入；
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||
6. PPS 允许配置上拉或下拉，默认状态必须明确；
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||
7. 软件应基于 PPS 捕获时间戳进行系统时间校准；
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||
8. PPS 捕获链路需要在调试阶段统计捕获周期、抖动和异常丢边沿。
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||
### 6.4 GNSS 天线与射频设计
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如使用外置有源天线，应考虑：
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1. 天线接口类型；
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2. 天线供电方式；
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3. 射频走线阻抗；
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||
4. 静电防护；
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||
5. 防雷或浪涌保护；
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||
6. 天线座位置远离噪声源；
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7. 射频路径尽量短且阻抗连续。
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## 7. 以太网接口详细设计
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![[Pasted image 20260522134155.png]]
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### 7.1 以太网方案
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系统采用 STM32H7 内置 Ethernet MAC + 外部 PHY 的方案，接口模式采用 RMII。
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| 项目 | 设计 |
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| --- | --------------------------- |
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| MAC | STM32H7 内置 Ethernet MAC |
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| PHY | LAN8742 / LAN8720 / YT8512C |
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| 接口 | RMII |
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| 速率 | 10/100 Mbps |
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| 协议栈 | NetX Duo |
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| 应用 | HTTP、FTP、TCP、UDP |
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### 7.2 RMII 信号连接
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||
| RMII 信号 | 方向 | 说明 |
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|---|---|---|
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| REF_CLK | PHY/外部时钟 -> MCU | 50 MHz 参考时钟 |
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| MDIO | 双向 | PHY 管理数据 |
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| MDC | MCU -> PHY | PHY 管理时钟 |
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| CRS_DV | PHY -> MCU | 接收数据有效 |
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| RXD0 | PHY -> MCU | 接收数据 bit0 |
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| RXD1 | PHY -> MCU | 接收数据 bit1 |
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||
| TX_EN | MCU -> PHY | 发送使能 |
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||
| TXD0 | MCU -> PHY | 发送数据 bit0 |
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||
| TXD1 | MCU -> PHY | 发送数据 bit1 |
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||
| PHY_RST | MCU -> PHY | PHY 复位 |
|
||
|
||
设计要求：
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||
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||
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；
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||
3. MDIO 需要上拉电阻；
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||
4. PHY 地址配置电阻必须明确；
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||
5. PHY_RST 应由 MCU 控制或 RC 复位；
|
||
6. PHY 电源必须充分去耦。
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||
|
||
|
||
### 7.3 网络隔离与 RJ45 设计
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||
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||
以太网 MDI 信号路径：
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||
```text
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||
PHY <-> 网络隔离变压器 <-> RJ45 <-> 外部网线
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```
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||
设计要求：
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1. 网络隔离变压器靠近 RJ45；
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2. RJ45 接口附近布置 ESD 防护；
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||
3. MDI 差分线按 100 Ω 差分阻抗设计；
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||
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。
|
||
---
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||
|
||
## 8. 存储与掉电保护详细设计
|
||
|
||
### 8.1 存储介质设计
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||
|
||
| 项目 | 设计要求 |
|
||
| ---- | ---------------------------------------- |
|
||
| 存储介质 | 产品版建议使用 16GB eMMC 或等效非易失存储；原型机可使用 SDNAND |
|
||
| 接口 | 优先使用 SDMMC；如使用其他接口，需要说明带宽和驱动适配风险 |
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||
| 存储内容 | Raw IMU、GNSS观测值、POS数据、系统日志、配置文件 |
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| 产测要求 | 支持容量识别、读写测速、坏块/错误统计、文件创建/删除测试 |
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||
### 8.2 SDMMC/eMMC 硬件设计要求
|
||
|
||
1. CMD 和 DATA 信号按器件手册配置上拉；
|
||
2. CLK 可预留串联阻尼电阻；
|
||
3. CLK、CMD、DATA 走线短、参考地连续，避免穿越分割地；
|
||
4. eMMC/SDNAND 电源应具备足够瞬态电流能力；
|
||
5. 存储电源、CLK、CMD、D0 至少预留测试点；
|
||
6. 存储器复位或使能脚如器件支持，应由 MCU 控制或预留硬件默认状态；
|
||
7. SDMMC DMA 缓冲区需要配合软件明确内存区域、对齐和 Cache 策略。
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### 8.3 掉电保护设计
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| 项目 | 设计要求 |
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|---|---|
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| 掉电检测 | 支持 PWR_FAIL、PVD、ADC采样或电源监控芯片 |
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| 触发时机 | 掉电信号必须早于系统电压跌落到不可安全写入的时间点 |
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||
| 保持供电 | 目标不低于 200ms，最终以 FileX flush/sync 实测时间冻结 |
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| 保持对象 | MCU、存储器、电源监控和必要外设 |
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||
| 软件闭环 | 掉电中断/事件触发后停止新写入、flush/sync关键文件并关闭文件 |
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| 验收方法 | 写入过程中断电，重启后文件系统不损坏，关键文件可识别 |
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## 9. COM 接口详细设计
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### 9.1 COM 口用途
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COM 口用于外部设备通信、参数配置、调试输出或 CLI 操作。
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| 接口 | 默认用途 | 默认电气标准 | 设计说明 |
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|---|---|---|---|
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| COM1 | PASHR / PRDID / 可配置输出 | RS422 | 适合较高频率航姿协议输出 |
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| COM2 | TSS1 / 可配置输出 | RS232 | 适合传统串口设备点对点连接 |
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| COM3 | RTCM 差分输入 / 可配置 | RS422 | 适合外部差分输入或长线输入 |
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| COM4 | Debug Log / Binary POS / 备用 | RS232 | 可作为维护、调试或备用输出 |
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### 9.2 电平标准与端接规则
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根据外部设备需求选择：
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| 电平 | 适用场景 | 端接要求 | 备注 |
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| ----- | --------------- | -------------------- | ----------------------------------------------- |
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| RS232 | 传统串口设备、短距离点对点通信 | 不加终端电阻 | 可预留 22Ω~100Ω 串联电阻用于抑制尖峰和限流，但不得按总线终端电阻处理 |
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||
| RS422 | 长距离全双工差分通信 | 按链路长度和接收端要求预留可配置终端电阻 | 推荐通过 0Ω、电阻位或跳帽配置，默认是否贴装需结合线缆长度和实测 |
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||
| RS485 | 多节点半双工总线，可选 | 总线两端配置终端电阻 | 当前文档默认外部口以 RS232/RS422 为主，若增加 RS485 需补方向控制和总线偏置 |
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||
设计要求：
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1. 外部 COM 口必须由 MCU TTL 电平经过专用 RS232/RS422 收发器转换后再连接外部接口；
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2. RS232 不设计并联终端电阻，避免额外负载影响收发器输出能力；
|
||
3. RS232 可在 TX/RX 链路预留小阻值串联电阻，优先用于 EMI、ESD 浪涌限流和调试兼容；
|
||
4. RS422 差分接收端预留 100Ω~120Ω 端接电阻位置，是否贴装由线缆长度、速率和实测波形决定；
|
||
5. RS422 差分线成对布线，保持同层、等长、参考地连续；
|
||
6. 所有外部 COM 信号必须增加 ESD 防护，保护器件靠近连接器；
|
||
7. 接口连接器应明确 TX/RX 方向、A/B 或 P/N 命名，避免线序歧义。
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### 9.3 COM 口防护设计
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外部串口接口建议增加：
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1. TVS 管；
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2. 共模电感，可选；
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3. 串联限流电阻；
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4. 防反接连接器定义；
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5. 地线和屏蔽连接设计。
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---
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## 10. 调试与下载接口详细设计
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### 10.1 SWD 调试接口
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SWD 接口必须保留。
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| 信号 | 说明 |
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| ------ | ------ |
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| SWDIO | 调试数据 |
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| SWCLK | 调试时钟 |
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| NRST | 复位 |
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| GND | 地 |
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| LOG_RX | 日志串口输出 |
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| LOG_TX | 日志串口输入 |
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设计要求：
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1. 调试口附近标注方向和引脚序号。
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### 10.2 UART 调试接口
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UART 调试接口用于 CLI 和日志输出。
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||
设计要求：
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1. TX/RX 不得接反；
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||
2. 接口电平明确；
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3. 预留 GND；
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---
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## 11. 指示灯与按键详细设计
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### 11.1 状态指示灯
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||
| 指示灯 | 功能 | 建议状态 |
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||
| ------- | ---- | ------------- |
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| PWR_LED | 电源状态 | 上电常亮 |
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| RUN_LED | 系统运行 | 正常运行周期闪烁 |
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| ERR_LED | 错误状态 | 错误时点亮或快闪 |
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| ETH_LED | 网络状态 | Link / Active |
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设计要求：
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1. LED 电流不宜过大；
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2. LED 颜色与功能匹配；
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||
3. 关键状态应便于外壳观察；
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||
4. 若由 MCU 控制，应保证默认状态安全。
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||
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||
### 11.2 按键设计
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|
||
| 按键 | 功能 |
|
||
| ---- | ---- |
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||
| RECV | 启动配置 |
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||
设计要求：
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1. 按键输入需要上拉或下拉；
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2. 必要时增加 RC 去抖；
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---
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||
## 12. 板间连接与外部连接器设计
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||
![[Pasted image 20260522134423.png]]
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|
||
### 12.1 板间连接设计原则
|
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|
||
设计原则：
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1. 电源和地引脚数量充足；
|
||
2. 高速信号旁边分配地引脚；
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||
3. 差分信号成对相邻；
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||
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。
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||
|
||
### 12.2 FPC 引脚分配建议
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||
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| 类型 | 设计建议 |
|
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| ------- | ----------------- |
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| 电源 | 多个 VIN / 3V3 引脚并联 |
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| 地 | 每隔数个信号放置 GND |
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||
| 以太网 MDI | 差分对相邻并靠近 GND |
|
||
| 备用 IO | 预留若干 GPIO |
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||
## 13. PCB 详细设计要求
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### 13.1 推荐层叠
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推荐使用 4 层或 6 层 PCB。
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#### 4 层板推荐
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||
| 层 | 用途 |
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|---|---|
|
||
| L1 | 器件与高速信号 |
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||
| L2 | 完整地平面 |
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||
| L3 | 电源与低速信号 |
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||
| L4 | 低速信号与接口 |
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||
#### 6 层板推荐
|
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|
||
| 层 | 用途 |
|
||
|---|---|
|
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| 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 |
|
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|
||
|
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### 13.2 IMU 布局
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||
|
||
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
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||
以下接口必须重点考虑 ESD：
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- 电源输入；
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- RJ45；
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||
- 外部 COM 口；
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- GNSS 天线接口；
|
||
- 外部IO与扩展IO。
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||
|
||
### 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；
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||
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。
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||
|
||
### 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 |
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---
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||
## 15. 硬件可测试性设计
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|
||
### 15.1 测试点设计
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||
必须预留以下测试点：
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|
||
| 类型 | 测试点 |
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||
| ---- | ------------------------------------------------------------- |
|
||
| 电源 | VIN、5V、3V3、VIMU、VGNSS、VPHY、VCORE |
|
||
| 调试 | SWDIO、SWCLK、NRST |
|
||
| 串口 | GNSS_TX、GNSS_RX、COMx_TTL_TX、COMx_TTL_RX、RS422_A/B、RS232_TX/RX |
|
||
| IMU | SPI_SCK、SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_CS、IMU_DRDY、IMU_RST、DIOx |
|
||
| GNSS | PPS、GNSS_STATUSx、天线供电电压 |
|
||
| 以太网 | REF_CLK、MDIO、MDC、PHY_RST |
|
||
| 存储 | SDMMC_CLK、CMD、D0、存储电源 |
|
||
| 掉电保护 | PWR_FAIL、保持电源电压、关键电源掉电曲线 |
|
||
|
||
|
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||
---
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|
||
## 16. 硬件调试流程
|
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||
### 16.1 上电前检查
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||
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
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|
||
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。
|
||
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---
|
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||
## 17. 测试验证方案
|
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||
### 17.1 基础功能测试
|
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||
| 测试项 | 测试方法 | 通过标准 |
|
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|---|---|---|
|
||
| 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 | 1 h | 文件传输无中断 |
|
||
| 存储写入 | 1 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，保护器件靠近连接器 |
|
||
| RS232误加终端电阻 | 串口电平幅度下降、通信异常 | RS232不加并联终端，仅可预留串联小电阻 |
|
||
| RS422未预留端接 | 长线或高速下反射、误码 | 接收端预留100Ω~120Ω可配置端接 |
|
||
| GNSS散热缺失导致温升异常 | 设备异常或定位性能下降 | 增加大范围接地焊盘和散热路径 |
|
||
| IMU电源发热或纹波异常 | 姿态噪声升高、设备异常 | 采用低噪声LDO或低纹波DCDC，并远离IMU布置 |
|
||
| 掉电保护时间不足 | FileX文件损坏或日志丢失 | PWR_FAIL提前触发，保持供电时间按flush实测冻结 |
|
||
| ETH/SDMMC DMA缓存不一致 | 网络或存储异常 | DMA缓冲区32字节对齐，明确MPU/Cache策略 |
|
||
|
||
### 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 COM接口
|
||
|
||
- [ ] RS232 使用专用收发器，未并联终端电阻；
|
||
- [ ] RS232 TX/RX 方向与连接器定义一致；
|
||
- [ ] RS232 已预留可选串联小电阻和 ESD 保护；
|
||
- [ ] RS422 使用专用差分收发器；
|
||
- [ ] RS422 A/B 或 P/N 命名统一；
|
||
- [ ] RS422 接收端预留可配置终端电阻；
|
||
- [ ] 外部 COM 口保护器件靠近连接器；
|
||
- [ ] COM 口 TTL 侧和外部侧均有必要测试点。
|
||
|
||
### 19.7 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：
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1. 硬件规格书；
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2. 硬件详细设计文档；
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3. 原理图；
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4. PCB Layout；
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5. BOM；
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6. 位号图；
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7. Gerber 文件；
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8. 坐标文件；
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9. 生产工艺说明；
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10. 硬件调试记录；
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11. 硬件测试报告；
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12. 问题闭环表。
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## 22. 附录
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### 22.1 常用缩写
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| 缩写 | 含义 |
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| MCU | 微控制器 |
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| IMU | 惯性测量单元 |
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| GNSS | 全球导航卫星系统 |
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| PPS | 秒脉冲 |
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| PHY | 以太网物理层芯片 |
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| MAC | 以太网媒体访问控制器 |
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| RMII | 精简媒体独立接口 |
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| MDI | 介质相关接口 |
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| SDMMC | SD/MMC 存储接口 |
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| DMA | 直接内存访问 |
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| MPU | 内存保护单元 |
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| DCache | 数据缓存 |
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| ESD | 静电放电 |
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| EMC | 电磁兼容 |
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| CLI | 命令行接口 |
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| RTT | Real Time Transfer |
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| FPC | 柔性扁平线缆 |
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### 22.2 设计备注
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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；
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2. 以太网、SDMMC、IMU 等模块应结合样机实测结果继续修订；
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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；
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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。
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## 22. 附录A：串口端接与防护设计结论
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### 22.1 RS232
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1. RS232 为单端点对点接口，不按传输总线方式配置终端电阻；
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2. RS232_TX、RS232_RX 不应在接收端并联 100Ω/120Ω 终端；
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3. 可在收发器侧预留 22Ω~100Ω 串联电阻，用于 EMI、过冲抑制和浪涌限流；
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4. 外部 RS232 接口必须配置 ESD 防护；
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5. RS232 更适合短距离、点对点、传统串口设备连接；如果线缆较长或干扰较强，优先改用 RS422/RS485。
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### 22.2 RS422
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1. RS422 为差分接口，适合长距离全双工通信；
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2. 接收端建议预留 100Ω~120Ω 端接电阻位置；
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3. 端接电阻默认是否贴装，需要根据线缆长度、速率、驱动能力和实测波形决定；
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4. 差分线需要成对布线，A/B 或 P/N 命名必须在原理图、PCB、线缆和文档中统一；
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5. 外部接口必须配置 ESD 防护，必要时增加共模电感。
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### 22.3 RS485可选扩展
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如果后续需要将某一路 COM 扩展为 RS485，应额外补充：
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1. DE/RE 方向控制；
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2. 总线空闲偏置电阻；
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3. 总线两端端接电阻；
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4. 多节点地址协议或上层仲裁机制；
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5. 半双工收发切换时序测试。
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