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赵天浩 7b5f09e135 vault backup: 2026-05-21 18:18:26
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硬件规格书

1. 文档说明

1.1 文档目的

本文档用于定义本项目硬件系统的设计规格、接口要求、电气特性、结构约束、可靠性要求以及测试验收标准，为原理图设计、PCB 设计、硬件调试、软件适配和后续量产迭代提供依据。

1.2 适用范围

本文档适用于本项目硬件系统的设计、评审、调试和测试，包括：

  • 主控板硬件设计
  • 传感器接口设计
  • 通信接口设计
  • 电源系统设计
  • 存储系统设计
  • 调试与下载接口设计
  • 外部连接器与线缆设计
  • 硬件可靠性与环境适应性设计

1.3 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. 产品概述

2.1 产品定位

本硬件系统用于惯性导航、组合导航、数据采集、网络通信和文件存储等场景。设备需要支持 IMU、GNSS、以太网、串口、文件系统以及 Web 配置页面等功能。

2.2 主要功能

设备应支持以下功能：

  1. 采集 IMU 数据；
  2. 接收 GNSS 数据；
  3. 支持以太网通信；
  4. 支持本地文件存储；
  5. 支持 WebServer 配置页面；
  6. 支持 FTP 或 HTTP 文件访问；
  7. 支持 COM 口配置；
  8. 支持 CLI 调试接口；
  9. 支持设备状态指示；
  10. 支持后续下水测试环境需求。

3. 系统总体架构

3.1 硬件组成

模块 说明
主控 MCU 负责数据采集、协议解析、文件系统、网络通信和任务调度
IMU 接口 连接 STIM300、ADIS16488 或兼容 IMU
GNSS 接口 连接 K922 或其他 GNSS 模块
以太网接口 提供 TCP/IP、HTTP、FTP 等网络通信能力
存储模块 用于日志、配置文件、数据文件存储
电源模块 提供系统所需各路稳定电源
调试接口 支持 SWD/JTAG、UART、RTT 等调试方式
外部连接器 用于电源、通信、传感器和扩展接口连接
状态指示 LED 或其他方式显示运行状态

3.2 系统框图

flowchart LR
    Power[电源输入] --> PMU[电源管理模块]
    PMU --> MCU[STM32H7 主控]

    MCU --> IMU[IMU 接口]
    MCU --> GNSS[GNSS 接口]
    MCU --> ETH[以太网 PHY]
    ETH --> RJ45[RJ45 接口]

    MCU --> Storage[SDNAND / eMMC / SDMMC 存储]
    MCU --> UART[COM / CLI 串口]
    MCU --> Debug[SWD / JTAG 调试接口]
    MCU --> LED[状态指示灯]

4. 主控 MCU 规格

4.1 MCU 选型

项目 规格
MCU 型号 STM32H755 / STM32H747 或同系列兼容型号
内核 Cortex-M7 + Cortex-M4
主频 CM7 最高 480 MHz，CM4 最高 240 MHz
Flash 根据具体型号确定
SRAM 根据具体型号确定
外设接口 SPI、UART、I2C、SDMMC、ETH、USB、GPIO、TIM 等

4.2 主控功能要求

MCU 需要满足以下要求：

  1. 支持双核启动与运行；
  2. 支持 ThreadX 实时操作系统；
  3. 支持 FileX 文件系统；
  4. 支持 NetX Duo 网络协议栈；
  5. 支持 OpenAMP 双核通信；
  6. 支持 IMU 高速采集；
  7. 支持 GNSS 数据解析；
  8. 支持以太网通信；
  9. 支持本地数据存储；
  10. 支持 Bootloader 或固件升级扩展能力。

4.3 时钟要求

时钟源 要求
HSE 推荐使用外部晶振或有源晶振
LSE 如需 RTC，建议预留
系统主频 满足 CM7 高性能运行需求
以太网时钟 满足 RMII 50 MHz 时钟要求
SDMMC 时钟 满足存储器稳定读写要求
SPI 时钟 满足 IMU 数据采集速率要求

5. 电源系统规格

5.1 电源输入

项目 规格
输入电压 依据系统需求定义，例如 5 V / 12 V
输入接口 板对板连接器 / 电源端子 / FPC
保护措施 反接保护、过流保护、TVS 防护
滤波要求 输入端应具备必要的 LC 或 π 型滤波

5.2 电源轨设计

电源轨 用途 电压 要求
VDD_3V3 MCU、PHY、外设 3.3 V 稳定、低纹波
VDD_1V8 部分外设或存储 1.8 V 根据器件需求配置
VDD_CORE MCU 内核 内部或外部供电 按 STM32H7 设计要求
VDD_IMU IMU 供电 根据 IMU 要求 低噪声
VDD_GNSS GNSS 模块供电 3.3 V / 5 V 需考虑启动电流

5.3 电源设计要求

  1. IMU 电源应尽量使用低噪声 LDO；
  2. MCU、PHY、存储器电源应满足峰值电流需求；
  3. 电源上电时序应符合 MCU 和外设要求；
  4. 模拟电源与数字电源应合理隔离；
  5. 关键电源轨应预留测试点；
  6. 重要外设可考虑独立电源控制。

6. IMU 接口规格

6.1 支持设备

IMU 型号 接口 说明
STIM300 RS422 / UART / SPI，按实际型号确定 高精度 IMU
ADIS16480 SPI ADI IMU
ADIS16488 SPI ADI IMU
其他兼容 IMU SPI / UART 预留扩展

6.2 SPI 接口要求

项目 要求
SPI 模式 根据 IMU 要求配置，例如 SPI Mode 3
数据位宽 支持 8 bit / 16 bit
片选 独立 CS 控制
中断信号 支持 DRDY 数据就绪中断
时钟频率 满足 IMU 数据手册要求
信号完整性 SPI 线应尽量短，必要时串联阻尼电阻

6.3 IMU 接口信号

信号 方向 说明
SPI_SCK MCU -> IMU SPI 时钟
SPI_MISO IMU -> MCU SPI 数据输入
SPI_MOSI MCU -> IMU SPI 数据输出
SPI_CS MCU -> IMU 片选
IMU_DRDY IMU -> MCU 数据就绪中断
IMU_RST MCU -> IMU 复位控制，建议预留
IMU_SYNC MCU <-> IMU 同步信号，按需求预留

6.4 布局要求

  1. IMU 应尽量靠近设备安装基准面；
  2. IMU 周围避免大电流、高速数字信号和开关电源；
  3. IMU 安装方向应在 PCB 丝印中明确标注；
  4. IMU 电源应独立滤波；
  5. IMU 接口信号应保证阻抗连续和地参考完整。

7. GNSS 接口规格

7.1 GNSS 模块

项目 规格
模块型号 K922 或兼容 GNSS 模块
通信接口 UART
数据协议 NMEA / RTCM，按需求支持
默认波特率 根据模块配置确定
天线接口 外置有源天线或板载接口

7.2 GNSS UART 信号

信号 方向 说明
GNSS_TX GNSS -> MCU GNSS 数据输出
GNSS_RX MCU -> GNSS GNSS 命令输入
GNSS_PPS GNSS -> MCU 秒脉冲信号
GNSS_RST MCU -> GNSS GNSS 复位
GNSS_EN MCU -> GNSS GNSS 电源使能

7.3 PPS 要求

  1. PPS 信号应接入 MCU 定时器输入捕获引脚；
  2. PPS 信号线应避免长距离绕线；
  3. PPS 输入应考虑电平匹配；
  4. PPS 可用于时间同步和采样时间戳校准。

8. 以太网接口规格

8.1 以太网功能

项目 规格
速率 10/100 Mbps
接口模式 RMII
PHY LAN8742 / LAN8720 / 兼容 PHY
应用协议 TCP、UDP、HTTP、FTP
网络协议栈 NetX Duo

8.2 RMII 信号

信号 方向 说明
REF_CLK PHY -> MCU 或外部 -> MCU/PHY 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/RXD1 PHY -> MCU 接收数据
TX_EN MCU -> PHY 发送使能
TXD0/TXD1 MCU -> PHY 发送数据
PHY_RST MCU -> PHY PHY 复位

8.3 网络隔离变压器位置要求

设计原则：

  1. PHY 到网络变压器之间为 MDI 差分信号；
  2. 网络变压器到 RJ45 之间距离应尽量短；
  3. 变压器、RJ45、ESD 防护器件应靠近外部接口；
  4. 差分线应控制阻抗并等长；
  5. 避免差分线跨分割地。

8.4 以太网布局要求

  1. RMII 信号线尽量短且等长；
  2. REF_CLK 需要重点保证信号质量；
  3. MDI 差分线应按照 100 Ω 差分阻抗设计；
  4. RJ45 外部接口应增加 ESD 防护；
  5. PHY 电源应充分去耦；
  6. PHY 地址配置电阻应明确；
  7. PHY 复位时序应满足数据手册要求。

9. 存储系统规格

9.1 存储介质

存储类型 接口 用途
SDNAND SDMMC 文件系统、日志、数据存储
eMMC SDMMC 可选替代方案
SPI Flash SPI/QSPI 配置、固件、参数存储
EEPROM I2C 少量参数存储，可选

9.2 SDMMC 接口要求

项目 规格
数据宽度 1-bit / 4-bit
时钟频率 根据稳定性测试确定
文件系统 FileX
DMA 支持 DMA 读写
缓存一致性 需要考虑 DCache 与 DMA 一致性

9.3 存储可靠性要求

  1. 支持异常断电后的文件系统恢复；
  2. 关键配置文件应采用双备份或校验机制；
  3. 写入过程中应尽量避免频繁擦写同一区域；
  4. eMMC 内部通常自带磨损均衡；
  5. 原始 NAND Flash 需要软件层实现坏块管理和磨损均衡；
  6. 重要数据写入后应进行 flush 或同步操作；
  7. 对于日志类数据，应采用追加写入或分段文件策略。

10. COM 口与调试接口规格

10.1 UART / COM 接口

接口 用途 电平
UART1 CLI 调试 3.3 V TTL / RS232 / RS485
UART2 GNSS 通信 3.3 V TTL
UART3 外部 COM 配置 依据需求
UART4 预留扩展 依据需求

10.2 CLI 调试口

CLI 调试口应支持：

  1. 查看设备状态；
  2. 配置网络参数；
  3. 配置 COM 参数；
  4. 查看 IMU/GNSS 状态；
  5. 查看文件系统状态；
  6. 查看日志输出；
  7. 执行简单诊断命令。

10.3 SWD / JTAG 接口

信号 说明
SWDIO 调试数据
SWCLK 调试时钟
NRST 复位
GND 地
VREF 目标电压参考
SWO 可选，用于调试输出

设计要求：

  1. SWD 接口必须预留；
  2. 调试接口应靠近板边或方便夹具接触；
  3. NRST 应可由调试器控制；
  4. VREF 应连接目标板调试电压。

11. GPIO 与指示灯规格

11.1 状态指示灯

指示灯 颜色 功能
PWR_LED 绿色 电源状态
RUN_LED 绿色 系统运行状态
ERR_LED 红色 错误状态
ETH_LED 绿色/黄色 网络连接状态
LOG_LED 蓝色 数据记录状态，可选

11.2 按键

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

12. FPC / 板间连接规格

12.1 板间连接场景

系统可能由主控板和接口板组成：

  • 主控板：MCU、PHY、IMU、GNSS、存储、电源；
  • 接口板：RJ45、外部连接器、防护器件等。

12.2 FPC 信号分类

类型 信号
电源 VIN、3V3、GND
以太网 MDI 差分线
控制 RESET、ENABLE
通信 UART、GPIO
预留 备用 GPIO

12.3 FPC 设计要求

  1. 高速信号应分配连续地参考；
  2. 差分信号应相邻布线；
  3. 电源引脚应增加数量以降低阻抗；
  4. 地引脚应充分分布；
  5. 关键接口应考虑插拔 ESD 防护；
  6. FPC 引脚定义应避免反插损坏。

13. 机械与结构要求

13.1 PCB 尺寸

项目 要求
PCB 尺寸 根据结构设计确定
板厚 常规 1.6 mm，或根据结构需求调整
层数 推荐 4 层或以上
安装孔 根据结构件定义
定位孔 建议预留

13.2 IMU 安装要求

  1. IMU 应靠近设备安装中心；
  2. IMU 坐标系应在丝印和文档中明确；
  3. PCB 固定方式应避免机械应力影响 IMU；
  4. IMU 附近避免高热源；
  5. 结构设计应保证 IMU 与设备本体刚性连接。

14. EMC 与 ESD 要求

14.1 ESD 防护

以下接口应增加 ESD 防护：

  • RJ45 接口；
  • 外部 COM 口；
  • 电源输入口；
  • FPC 外部接口；
  • USB 接口，如果存在；
  • GNSS 天线接口，如果存在。

14.2 EMC 设计要求

  1. 开关电源区域应远离 IMU 和 GNSS；
  2. 高速信号应避免跨分割地；
  3. 电源入口应增加滤波；
  4. 外部连接器附近应布置防护器件；
  5. 时钟信号应尽量短；
  6. 关键信号应避免靠近板边长距离走线。

15. 热设计要求

15.1 热源器件

主要热源包括：

  • MCU；
  • 以太网 PHY；
  • 电源芯片；
  • 存储器；
  • 其他大功耗外设。

15.2 热设计措施

  1. MCU 底部应增加足够地铜；
  2. 电源芯片应按照数据手册布置散热铜皮；
  3. 热源应远离 IMU；
  4. 外壳结构应考虑导热路径；
  5. 必要时增加温度传感器监测板温。

16. 环境适应性要求

项目 要求
工作温度 根据项目需求定义，例如 -20℃ ~ 70℃
存储温度 根据器件规格定义
湿度 根据使用环境定义
振动 满足下水测试和运输需求
防护等级 根据结构设计定义
盐雾/腐蚀 如用于海洋环境，应评估防护需求

17. 可测试性设计

17.1 测试点要求

以下信号应预留测试点：

  • 主要电源轨；
  • MCU 复位信号；
  • BOOT 信号；
  • SWDIO / SWCLK；
  • UART TX / RX；
  • SPI SCK / MISO / MOSI / CS；
  • IMU DRDY；
  • GNSS PPS；
  • PHY REF_CLK；
  • SDMMC CLK / CMD / D0；
  • 关键 GPIO。

17.2 生产测试要求

硬件应支持以下测试：

  1. 电源短路测试；
  2. 电源电压测试；
  3. MCU 下载测试；
  4. IMU 通信测试；
  5. GNSS 通信测试；
  6. 以太网通信测试；
  7. 存储读写测试；
  8. COM 口收发测试；
  9. 指示灯测试；
  10. 长时间稳定性测试。

18. 硬件验收标准

18.1 基础功能验收

测试项 验收标准
上电启动 设备可正常上电，无异常发热
MCU 下载 可通过 SWD 正常下载和调试
时钟系统 主频、外设时钟正常
IMU 通信 可稳定读取 IMU 数据
GNSS 通信 可稳定接收 NMEA 数据
PPS 输入 可捕获 PPS 信号
以太网通信 可正常 ping 通并建立 TCP 连接
文件系统 可正常挂载、读写、删除文件
COM 口 可正常收发数据
WebServer 可访问配置页面

18.2 稳定性验收

测试项 验收标准
长时间运行 连续运行 24 小时无死机
网络传输 文件上传下载无异常中断
存储写入 长时间写入无文件系统损坏
掉电测试 异常断电后系统可恢复
温升测试 关键器件温度满足设计要求
抗干扰测试 外部接口插拔不导致系统异常

19. 原理图设计检查清单

19.1 MCU

  • 电源引脚全部连接正确；
  • BOOT 配置正确；
  • NRST 电路正确；
  • SWD 调试接口完整；
  • 关键 GPIO 未冲突。

19.2 电源

  • 输入保护完整；
  • 电源芯片选型满足电流需求；
  • 电源时序满足要求；
  • IMU 电源低噪声处理；
  • PHY 电源去耦充分；
  • 存储器电源满足峰值电流；
  • 所有电源轨预留测试点。

19.3 以太网

  • PHY 地址配置正确；
  • RMII 信号连接正确；
  • REF_CLK 方向正确；
  • PHY 复位电路正确；
  • 网络变压器位置合理；
  • RJ45 ESD 防护完整；
  • 差分线阻抗和走线规则明确。

19.4 存储

  • SDMMC 信号连接正确；
  • 上拉电阻配置正确；
  • 电源满足存储器要求；
  • 存储器复位或使能信号确认；
  • DMA 访问内存区域规划明确。

19.5 IMU / GNSS

  • IMU 接口电平正确；
  • IMU DRDY 接入中断引脚；
  • IMU 安装方向明确；
  • GNSS UART 连接正确；
  • GNSS PPS 接入定时器输入捕获；
  • GNSS 天线接口和供电设计正确。

20. PCB 设计要求

20.1 层叠建议

推荐 4 层 PCB：

层 用途
L1 信号层
L2 完整地平面
L3 电源层 / 信号层
L4 信号层

20.2 PCB 设计重点

  1. 保证完整地平面；
  2. 以太网差分线控制阻抗；
  3. IMU 区域远离噪声源；
  4. 电源芯片布局紧凑；
  5. 高速信号避免长距离绕线；
  6. SDMMC 信号尽量等长；
  7. 调试接口方便接入；
  8. 关键测试点方便测量。

21. 风险项与改进方向

风险项 影响 改进措施
以太网 DMA 与 DCache 一致性问题 导致网络异常或 ping 不通 使用 MPU 配置 Non-Cache 区域，或正确 Clean/Invalidate Cache
SDMMC DMA 访问缓冲区异常 导致 FileX 写入失败 使用对齐缓冲区或中间 scratch buffer
IMU 受电源噪声干扰 影响姿态和导航精度 IMU 独立 LDO、远离开关电源
GNSS PPS 捕获不准 影响时间同步 PPS 接入定时器输入捕获，优化走线
网络变压器位置不合理 影响以太网稳定性 变压器靠近 RJ45
掉电导致文件损坏 数据丢失 文件写入策略、双备份、掉电保护
板间 FPC 信号完整性不足 通信不稳定 增加地线、优化差分和高速信号排列

22. 附录

22.1 术语说明

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
RMII 精简媒体独立接口
SDMMC SD/MMC 存储接口
DMA 直接内存访问
ESD 静电防护
EMC 电磁兼容
CLI 命令行接口

22.2 参考资料

  • STM32H7 系列数据手册；
  • STM32H7 系列参考手册；
  • IMU 器件数据手册；
  • GNSS 模块数据手册；
  • PHY 芯片数据手册；
  • SDNAND / eMMC 数据手册；
  • FileX / NetX Duo / ThreadX 相关文档。