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# 硬件规格书
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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。
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### 1.2 适用范围
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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：
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- 主控板硬件设计
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- 传感器接口设计
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- 通信接口设计
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- 电源系统设计
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- 存储系统设计
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- 调试与下载接口设计
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- 外部连接器与线缆设计
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- 硬件可靠性与环境适应性设计
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### 1.3 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 | XXX | 初版创建 |
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## 2. 产品概述
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### 2.1 产品定位
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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。
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### 2.2 主要功能
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设备应支持以下功能：
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1. 采集 IMU 数据；
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2. 接收 GNSS 数据；
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3. 支持以太网通信；
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4. 支持本地文件存储；
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5. 支持 WebServer 配置页面；
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6. 支持 FTP 或 HTTP 文件访问；
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7. 支持 COM 口配置；
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8. 支持 CLI 调试接口；
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9. 支持设备状态指示；
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10. 支持后续下水测试环境需求。
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## 3. 系统总体架构
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### 3.1 硬件组成
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| 模块 | 说明 |
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| ------- | ---------------------------- |
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| 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 |
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| IMU 接口 | 连接 STIM300、ADIS16488 或兼容 IMU |
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| GNSS 接口 | 连接 K922 或其他 GNSS 模块 |
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| 以太网接口 | 提供 TCP/IP、HTTP、FTP 等网络通信能力 |
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| 存储模块 | 用于日志、配置文件、数据文件存储 |
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| 电源模块 | 提供系统所需各路稳定电源 |
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| 调试接口 | 支持 SWD/JTAG、UART、RTT 等调试方式 |
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| 外部连接器 | 用于电源、通信、传感器和扩展接口连接 |
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| 状态指示 | LED 或其他方式显示运行状态 |
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### 3.2 系统框图
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```mermaid
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flowchart LR
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Power[电源输入] --> PMU[电源管理模块]
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PMU --> MCU[STM32H7 主控]
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MCU --> IMU[IMU 接口]
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MCU --> GNSS[GNSS 接口]
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MCU --> ETH[以太网 PHY]
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ETH --> RJ45[RJ45 接口]
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MCU --> Storage[SDNAND / eMMC / SDMMC 存储]
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MCU --> UART[COM / CLI 串口]
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MCU --> Debug[SWD / JTAG 调试接口]
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MCU --> LED[状态指示灯]
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## 4. 主控 MCU 规格
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### 4.1 MCU 选型
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| 项目 | 规格 |
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|---|---|
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| MCU 型号 | STM32H755 / STM32H747 或同系列兼容型号 |
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| 内核 | Cortex-M7 + Cortex-M4 |
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| 主频 | CM7 最高 480 MHz，CM4 最高 240 MHz |
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| Flash | 根据具体型号确定 |
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| SRAM | 根据具体型号确定 |
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| 外设接口 | SPI、UART、I2C、SDMMC、ETH、USB、GPIO、TIM 等 |
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### 4.2 主控功能要求
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MCU 需要满足以下要求：
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1. 支持双核启动与运行；
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2. 支持 ThreadX 实时操作系统；
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3. 支持 FileX 文件系统；
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4. 支持 NetX Duo 网络协议栈；
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5. 支持 OpenAMP 双核通信；
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6. 支持 IMU 高速采集；
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7. 支持 GNSS 数据解析；
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8. 支持以太网通信；
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9. 支持本地数据存储；
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10. 支持 Bootloader 或固件升级扩展能力。
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### 4.3 时钟要求
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| 时钟源 | 要求 |
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|---|---|
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| HSE | 推荐使用外部晶振或有源晶振 |
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| LSE | 如需 RTC，建议预留 |
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| 系统主频 | 满足 CM7 高性能运行需求 |
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| 以太网时钟 | 满足 RMII 50 MHz 时钟要求 |
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| SDMMC 时钟 | 满足存储器稳定读写要求 |
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| SPI 时钟 | 满足 IMU 数据采集速率要求 |
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## 5. 电源系统规格
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### 5.1 电源输入
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| 项目 | 规格 |
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|---|---|
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| 输入电压 | 依据系统需求定义，例如 5 V / 12 V |
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| 输入接口 | 板对板连接器 / 电源端子 / FPC |
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| 保护措施 | 反接保护、过流保护、TVS 防护 |
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| 滤波要求 | 输入端应具备必要的 LC 或 π 型滤波 |
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### 5.2 电源轨设计
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| 电源轨 | 用途 | 电压 | 要求 |
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| -------- | ---------- | ----------- | -------------- |
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| VDD_3V3 | MCU、PHY、外设 | 3.3 V | 稳定、低纹波 |
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| VDD_1V8 | 部分外设或存储 | 1.8 V | 根据器件需求配置 |
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| VDD_CORE | MCU 内核 | 内部或外部供电 | 按 STM32H7 设计要求 |
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| VDD_IMU | IMU 供电 | 根据 IMU 要求 | 低噪声 |
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| VDD_GNSS | GNSS 模块供电 | 3.3 V / 5 V | 需考虑启动电流 |
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### 5.3 电源设计要求
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1. IMU 电源应尽量使用低噪声 LDO；
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2. MCU、PHY、存储器电源应满足峰值电流需求；
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3. 电源上电时序应符合 MCU 和外设要求；
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4. 模拟电源与数字电源应合理隔离；
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5. 关键电源轨应预留测试点；
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6. 重要外设可考虑独立电源控制。
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## 6. IMU 接口规格
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### 6.1 支持设备
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| IMU 型号 | 接口 | 说明 |
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|---|---|---|
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| STIM300 | RS422 / UART / SPI，按实际型号确定 | 高精度 IMU |
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| ADIS16480 | SPI | ADI IMU |
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| ADIS16488 | SPI | ADI IMU |
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| 其他兼容 IMU | SPI / UART | 预留扩展 |
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### 6.2 SPI 接口要求
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| 项目 | 要求 |
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|---|---|
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| SPI 模式 | 根据 IMU 要求配置，例如 SPI Mode 3 |
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| 数据位宽 | 支持 8 bit / 16 bit |
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| 片选 | 独立 CS 控制 |
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| 中断信号 | 支持 DRDY 数据就绪中断 |
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| 时钟频率 | 满足 IMU 数据手册要求 |
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| 信号完整性 | SPI 线应尽量短，必要时串联阻尼电阻 |
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### 6.3 IMU 接口信号
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| 信号 | 方向 | 说明 |
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|---|---|---|
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| SPI_SCK | MCU -> IMU | SPI 时钟 |
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| SPI_MISO | IMU -> MCU | SPI 数据输入 |
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| SPI_MOSI | MCU -> IMU | SPI 数据输出 |
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| SPI_CS | MCU -> IMU | 片选 |
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| IMU_DRDY | IMU -> MCU | 数据就绪中断 |
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| IMU_RST | MCU -> IMU | 复位控制，建议预留 |
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| IMU_SYNC | MCU <-> IMU | 同步信号，按需求预留 |
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### 6.4 布局要求
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1. IMU 应尽量靠近设备安装基准面；
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2. IMU 周围避免大电流、高速数字信号和开关电源；
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3. IMU 安装方向应在 PCB 丝印中明确标注；
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4. IMU 电源应独立滤波；
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5. IMU 接口信号应保证阻抗连续和地参考完整。
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## 7. GNSS 接口规格
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### 7.1 GNSS 模块
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| 项目 | 规格 |
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|---|---|
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| 模块型号 | K922 或兼容 GNSS 模块 |
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| 通信接口 | UART |
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| 数据协议 | NMEA / RTCM，按需求支持 |
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| 默认波特率 | 根据模块配置确定 |
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| 天线接口 | 外置有源天线或板载接口 |
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### 7.2 GNSS UART 信号
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| 信号 | 方向 | 说明 |
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|---|---|---|
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| GNSS_TX | GNSS -> MCU | GNSS 数据输出 |
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| GNSS_RX | MCU -> GNSS | GNSS 命令输入 |
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| GNSS_PPS | GNSS -> MCU | 秒脉冲信号 |
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| GNSS_RST | MCU -> GNSS | GNSS 复位 |
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| GNSS_EN | MCU -> GNSS | GNSS 电源使能 |
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### 7.3 PPS 要求
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1. PPS 信号应接入 MCU 定时器输入捕获引脚；
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2. PPS 信号线应避免长距离绕线；
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3. PPS 输入应考虑电平匹配；
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4. PPS 可用于时间同步和采样时间戳校准。
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## 8. 以太网接口规格
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### 8.1 以太网功能
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| 项目 | 规格 |
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|---|---|
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| 速率 | 10/100 Mbps |
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| 接口模式 | RMII |
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| PHY | LAN8742 / LAN8720 / 兼容 PHY |
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| 应用协议 | TCP、UDP、HTTP、FTP |
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| 网络协议栈 | NetX Duo |
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### 8.2 RMII 信号
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| 信号 | 方向 | 说明 |
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|---|---|---|
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| REF_CLK | PHY -> MCU 或外部 -> MCU/PHY | 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/RXD1 | PHY -> MCU | 接收数据 |
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| TX_EN | MCU -> PHY | 发送使能 |
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| TXD0/TXD1 | MCU -> PHY | 发送数据 |
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| PHY_RST | MCU -> PHY | PHY 复位 |
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### 8.3 网络隔离变压器位置要求
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设计原则：
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1. PHY 到网络变压器之间为 MDI 差分信号；
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2. 网络变压器到 RJ45 之间距离应尽量短；
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3. 变压器、RJ45、ESD 防护器件应靠近外部接口；
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4. 差分线应控制阻抗并等长；
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5. 避免差分线跨分割地。
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### 8.4 以太网布局要求
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1. RMII 信号线尽量短且等长；
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2. REF_CLK 需要重点保证信号质量；
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3. MDI 差分线应按照 100 Ω 差分阻抗设计；
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4. RJ45 外部接口应增加 ESD 防护；
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5. PHY 电源应充分去耦；
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6. PHY 地址配置电阻应明确；
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7. PHY 复位时序应满足数据手册要求。
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## 9. 存储系统规格
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### 9.1 存储介质
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| 存储类型 | 接口 | 用途 |
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|---|---|---|
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| SDNAND | SDMMC | 文件系统、日志、数据存储 |
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| eMMC | SDMMC | 可选替代方案 |
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| SPI Flash | SPI/QSPI | 配置、固件、参数存储 |
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| EEPROM | I2C | 少量参数存储，可选 |
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### 9.2 SDMMC 接口要求
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| 项目 | 规格 |
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| ----- | --------------------- |
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| 数据宽度 | 1-bit / 4-bit |
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| 时钟频率 | 根据稳定性测试确定 |
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| 文件系统 | FileX |
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| DMA | 支持 DMA 读写 |
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| 缓存一致性 | 需要考虑 DCache 与 DMA 一致性 |
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### 9.3 存储可靠性要求
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1. 支持异常断电后的文件系统恢复；
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2. 关键配置文件应采用双备份或校验机制；
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3. 写入过程中应尽量避免频繁擦写同一区域；
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4. eMMC 内部通常自带磨损均衡；
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5. 原始 NAND Flash 需要软件层实现坏块管理和磨损均衡；
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6. 重要数据写入后应进行 flush 或同步操作；
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7. 对于日志类数据，应采用追加写入或分段文件策略。
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## 10. COM 口与调试接口规格
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### 10.1 UART / COM 接口
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| 接口 | 用途 | 电平 |
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|---|---|---|
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| UART1 | CLI 调试 | 3.3 V TTL / RS232 / RS485 |
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| UART2 | GNSS 通信 | 3.3 V TTL |
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| UART3 | 外部 COM 配置 | 依据需求 |
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| UART4 | 预留扩展 | 依据需求 |
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### 10.2 CLI 调试口
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CLI 调试口应支持：
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1. 查看设备状态；
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2. 配置网络参数；
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3. 配置 COM 参数；
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4. 查看 IMU/GNSS 状态；
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5. 查看文件系统状态；
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6. 查看日志输出；
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7. 执行简单诊断命令。
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### 10.3 SWD / JTAG 接口
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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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| VREF | 目标电压参考 |
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| SWO | 可选，用于调试输出 |
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设计要求：
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1. SWD 接口必须预留；
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2. 调试接口应靠近板边或方便夹具接触；
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3. NRST 应可由调试器控制；
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4. VREF 应连接目标板调试电压。
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## 11. GPIO 与指示灯规格
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### 11.1 状态指示灯
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| 指示灯 | 颜色 | 功能 |
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|---|---|---|
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| PWR_LED | 绿色 | 电源状态 |
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| RUN_LED | 绿色 | 系统运行状态 |
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| ERR_LED | 红色 | 错误状态 |
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| ETH_LED | 绿色/黄色 | 网络连接状态 |
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| LOG_LED | 蓝色 | 数据记录状态，可选 |
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### 11.2 按键
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| 按键 | 功能 |
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|---|---|
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| RESET | 系统复位 |
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| BOOT | 进入 Bootloader |
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| USER | 用户自定义功能 |
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## 12. FPC / 板间连接规格
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### 12.1 板间连接场景
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系统可能由主控板和接口板组成：
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- 主控板：MCU、PHY、IMU、GNSS、存储、电源；
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- 接口板：RJ45、外部连接器、防护器件等。
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### 12.2 FPC 信号分类
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| 类型 | 信号 |
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|---|---|
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| 电源 | VIN、3V3、GND |
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| 以太网 | MDI 差分线 |
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| 控制 | RESET、ENABLE |
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| 通信 | UART、GPIO |
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| 预留 | 备用 GPIO |
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### 12.3 FPC 设计要求
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1. 高速信号应分配连续地参考；
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2. 差分信号应相邻布线；
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3. 电源引脚应增加数量以降低阻抗；
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4. 地引脚应充分分布；
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5. 关键接口应考虑插拔 ESD 防护；
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6. FPC 引脚定义应避免反插损坏。
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## 13. 机械与结构要求
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### 13.1 PCB 尺寸
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| 项目 | 要求 |
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|---|---|
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| PCB 尺寸 | 根据结构设计确定 |
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| 板厚 | 常规 1.6 mm，或根据结构需求调整 |
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| 层数 | 推荐 4 层或以上 |
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| 安装孔 | 根据结构件定义 |
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| 定位孔 | 建议预留 |
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### 13.2 IMU 安装要求
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||
1. IMU 应靠近设备安装中心；
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2. IMU 坐标系应在丝印和文档中明确；
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3. PCB 固定方式应避免机械应力影响 IMU；
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4. IMU 附近避免高热源；
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||
5. 结构设计应保证 IMU 与设备本体刚性连接。
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## 14. EMC 与 ESD 要求
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### 14.1 ESD 防护
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以下接口应增加 ESD 防护：
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- RJ45 接口；
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- 外部 COM 口；
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- 电源输入口；
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- FPC 外部接口；
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- USB 接口，如果存在；
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- GNSS 天线接口，如果存在。
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### 14.2 EMC 设计要求
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1. 开关电源区域应远离 IMU 和 GNSS；
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||
2. 高速信号应避免跨分割地；
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3. 电源入口应增加滤波；
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||
4. 外部连接器附近应布置防护器件；
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||
5. 时钟信号应尽量短；
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||
6. 关键信号应避免靠近板边长距离走线。
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||
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## 15. 热设计要求
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### 15.1 热源器件
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主要热源包括：
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- MCU；
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- 以太网 PHY；
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- 电源芯片；
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- 存储器；
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- 其他大功耗外设。
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### 15.2 热设计措施
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||
1. MCU 底部应增加足够地铜；
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||
2. 电源芯片应按照数据手册布置散热铜皮；
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||
3. 热源应远离 IMU；
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||
4. 外壳结构应考虑导热路径；
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||
5. 必要时增加温度传感器监测板温。
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## 16. 环境适应性要求
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| 项目 | 要求 |
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|---|---|
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| 工作温度 | 根据项目需求定义，例如 -20℃ ~ 70℃ |
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| 存储温度 | 根据器件规格定义 |
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| 湿度 | 根据使用环境定义 |
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||
| 振动 | 满足下水测试和运输需求 |
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| 防护等级 | 根据结构设计定义 |
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| 盐雾/腐蚀 | 如用于海洋环境，应评估防护需求 |
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||
|
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---
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||
## 17. 可测试性设计
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||
### 17.1 测试点要求
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|
||
以下信号应预留测试点：
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- 主要电源轨；
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- MCU 复位信号；
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- BOOT 信号；
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- SWDIO / SWCLK；
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- UART TX / RX；
|
||
- SPI SCK / MISO / MOSI / CS；
|
||
- IMU DRDY；
|
||
- GNSS PPS；
|
||
- PHY REF_CLK；
|
||
- SDMMC CLK / CMD / D0；
|
||
- 关键 GPIO。
|
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|
||
### 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。
|
||
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---
|
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||
## 18. 硬件验收标准
|
||
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||
### 18.1 基础功能验收
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| 测试项 | 验收标准 |
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| 上电启动 | 设备可正常上电，无异常发热 |
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| MCU 下载 | 可通过 SWD 正常下载和调试 |
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| 时钟系统 | 主频、外设时钟正常 |
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| IMU 通信 | 可稳定读取 IMU 数据 |
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| GNSS 通信 | 可稳定接收 NMEA 数据 |
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| PPS 输入 | 可捕获 PPS 信号 |
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| 以太网通信 | 可正常 ping 通并建立 TCP 连接 |
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| 文件系统 | 可正常挂载、读写、删除文件 |
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| COM 口 | 可正常收发数据 |
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| WebServer | 可访问配置页面 |
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### 18.2 稳定性验收
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| 测试项 | 验收标准 |
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|---|---|
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| 长时间运行 | 连续运行 24 小时无死机 |
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| 网络传输 | 文件上传下载无异常中断 |
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| 存储写入 | 长时间写入无文件系统损坏 |
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| 掉电测试 | 异常断电后系统可恢复 |
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| 温升测试 | 关键器件温度满足设计要求 |
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| 抗干扰测试 | 外部接口插拔不导致系统异常 |
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## 19. 原理图设计检查清单
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### 19.1 MCU
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- [ ] 电源引脚全部连接正确；
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- [ ] BOOT 配置正确；
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- [ ] NRST 电路正确；
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- [ ] SWD 调试接口完整；
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- [ ] 关键 GPIO 未冲突。
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### 19.2 电源
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- [ ] 输入保护完整；
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- [ ] 电源芯片选型满足电流需求；
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- [ ] 电源时序满足要求；
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- [ ] IMU 电源低噪声处理；
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- [ ] PHY 电源去耦充分；
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- [ ] 存储器电源满足峰值电流；
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- [ ] 所有电源轨预留测试点。
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### 19.3 以太网
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- [ ] PHY 地址配置正确；
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- [ ] RMII 信号连接正确；
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- [ ] REF_CLK 方向正确；
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- [ ] PHY 复位电路正确；
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- [ ] 网络变压器位置合理；
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- [ ] RJ45 ESD 防护完整；
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- [ ] 差分线阻抗和走线规则明确。
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### 19.4 存储
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- [ ] SDMMC 信号连接正确；
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- [ ] 上拉电阻配置正确；
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- [ ] 电源满足存储器要求；
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- [ ] 存储器复位或使能信号确认；
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- [ ] DMA 访问内存区域规划明确。
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### 19.5 IMU / GNSS
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- [ ] IMU 接口电平正确；
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- [ ] IMU DRDY 接入中断引脚；
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- [ ] IMU 安装方向明确；
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- [ ] GNSS UART 连接正确；
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- [ ] GNSS PPS 接入定时器输入捕获；
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- [ ] GNSS 天线接口和供电设计正确。
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## 20. PCB 设计要求
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### 20.1 层叠建议
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推荐 4 层 PCB：
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| 层 | 用途 |
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| L1 | 信号层 |
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| L2 | 完整地平面 |
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| L3 | 电源层 / 信号层 |
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| L4 | 信号层 |
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### 20.2 PCB 设计重点
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1. 保证完整地平面；
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2. 以太网差分线控制阻抗；
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3. IMU 区域远离噪声源；
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4. 电源芯片布局紧凑；
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5. 高速信号避免长距离绕线；
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6. SDMMC 信号尽量等长；
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7. 调试接口方便接入；
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8. 关键测试点方便测量。
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## 21. 风险项与改进方向
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| 风险项 | 影响 | 改进措施 |
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|---|---|---|
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| 网络变压器位置不合理 | 影响以太网稳定性 | 变压器靠近 RJ45 |
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| 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 |
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| 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 |
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## 22. 附录
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### 22.1 术语说明
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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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| RMII | 精简媒体独立接口 |
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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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| ESD | 静电防护 |
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| EMC | 电磁兼容 |
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| CLI | 命令行接口 |
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### 22.2 参考资料
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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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- IMU 器件数据手册；
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||
- GNSS 模块数据手册；
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||
- PHY 芯片数据手册；
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||
- SDNAND / eMMC 数据手册；
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||
- FileX / NetX Duo / ThreadX 相关文档。
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