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# 姿态系统硬件规格书
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> 文档定位：本文档为船载/水下高精度姿态系统硬件规格书，用于指导硬件原理图设计、PCB设计、BOM选型、接口定义、硬件评审、板级调试、产测和硬件验收。本文档不替代产品需求文档、软件详细设计文档、算法设计文档和用户接口协议文档。
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## 文档控制信息
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| 项目 | 内容 |
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| 文档名称 | 姿态系统硬件规格书 |
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| 文档编号 | HWS-POSE-2026-V1.0 |
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| 产品名称 | 船载/水下高精度组合航姿系统 |
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| 产品型号 | |
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| 适用阶段 | 原型机 / 工程样机 / 正式测试版 / 产品发布版 |
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| 硬件版本 | HW_Vx.x |
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| 原理图版本 | SCH_Vx.x |
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| PCB版本 | PCB_Vx.x |
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| BOM版本 | BOM_Vx.x |
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| 编写部门 | 硬件 / 嵌入式 / 算法 / 测试 |
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| 审核人 | 产品、硬件、嵌入式、算法、测试、质量、生产 |
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| 文档状态 | 草稿 / 评审中 / 已冻结 / 已发布 |
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| 密级 | 内部受控 |
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### 版本记录
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| 版本 | 日期 | 修改内容 | 修改人 | 评审结论 |
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|---|---|---|---|---|
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| V0.1 | 2026-05-22 | 根据产品规格模板重构为独立硬件规格书 | | |
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| V0.9 | | 硬件评审稿 | | |
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| V1.0 | | 硬件冻结版 | | |
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## 1. 硬件设计目标
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### 1.1 硬件定位
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本硬件用于船载/水下高精度组合航姿系统，承载 IMU、GNSS、时间同步、通信、存储、电源保护、调试产测和外部接口等功能。硬件设计需要满足后续算法、嵌入式软件、Web配置、数据记录、FTP下载、串口协议输出、PPS/PTP/Event时间同步和外场测试要求。
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### 1.2 硬件设计边界
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| 类型 | 本文档覆盖 | 本文档不覆盖 |
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| 覆盖内容 | 主控、IMU、GNSS、通信接口、存储、电源、保护、连接器、测试点、PCB约束、硬件验收 | 算法公式、协议字段详细定义、Web页面详细设计、上位机软件 |
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| 设计输出 | 原理图、PCB、BOM、接口定义、硬件测试记录、硬件评审结论 | 软件详细设计、算法测试报告、用户手册 |
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| 评审目标 | 是否能投板、是否满足接口和可靠性要求、是否存在P0硬件风险 | 产品商业定位、完整认证策略 |
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### 1.3 当前硬件默认目标
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| 项目 | 硬件目标 | 优先级 | 验收方式 |
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| ----- | ------------------------------------ | --: | ----------------- |
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| 输入电压 | 9–36V DC | P0 | 电源拉偏、反接、瞬断测试 |
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| 主控 | STM32H747同级双核 MCU | P0 | 上电、烧录、双核启动、外设连通测试 |
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| IMU兼容 | 支持 ADIS16488、STIM300、SCH1633 的硬件接入路径 | P0 | 连续采集、丢帧统计、逻辑分析仪 |
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| GNSS | 支持多频多星座 RTK GNSS，预留主/副双天线 | P0 | 定位、定向、PPS、RTCM测试 |
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| PPS | 输入内阻100欧 | P0 | 万用表 |
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| PTP | 以太网硬件链路需支持后续 PTP 验证 | P1 | PTP主从测试 |
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| 通信 | Ethernet + 不少于4路COM + 调试口 | P0 | Ping、Web、FTP、串口抓包 |
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| 存储 | 16GBeMMC | P0 | 连续写入、文件读取、断电恢复 |
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| 掉电保护 | 支持掉电检测与保持供电，满足文件系统安全关闭 | P0 | 写入中断电测试 |
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| 防护设计 | 产品版面向 IP67 结构和防水连接器 | P1 | 结构评审、气密/浸水测试 |
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## 2. 硬件总体架构
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### 2.1 系统框图
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```mermaid
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flowchart LR
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PWR[9-36V DC 电源输入] --> PROT[保护/滤波/掉电检测]
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PROT --> DCDC[DCDC/LDO 电源树]
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DCDC --> MCU[STM32H747/H755 主控]
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DCDC --> IMU[IMU: ADIS16488/STIM300/SCH1633]
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DCDC --> GNSS[GNSS RTK 双天线模块]
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DCDC --> PHY[Ethernet PHY]
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DCDC --> EMMC[eMMC/存储]
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IMU -->|SPI/UART/DRDY| MCU
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GNSS -->|UART/RTCM/PPS/状态脚| MCU
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MCU -->|RMII| PHY
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PHY --> RJ45[网络接口/隔离变压器/RJ45]
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MCU --> COM[RS232/RS422/RS485 COM接口]
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MCU --> EVENT[PPS/Event 输入输出]
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MCU --> DEBUG[SWD/Debug UART/产测接口]
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MCU --> EMMC
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```
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### 2.2 硬件模块划分
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| 模块 | 主要功能 | 关键约束 |
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| ------ | -------------------------- | --------------------------- |
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| 主控模块 | 双核运行、外设控制、时间戳、网络、存储、协议输出 | 时钟、复位、BOOT、调试口必须可靠 |
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| IMU模块 | 采集角速度、加速度、温度、状态信息 | 低噪声供电、稳定安装基准、同步信号明确 |
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| GNSS模块 | 定位、定向、RTK、PPS、RTCM输入 | 双天线射频、PPS捕获、天线供电保护 |
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| 时间同步模块 | PPS、PTP、Event Input、IMU时间戳 | PPS/Event优先使用硬件捕获，不仅作普通GPIO |
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| 通信模块 | Ethernet、COM、调试口、可选USB/CAN | 外部接口必须有ESD/浪涌/共模保护 |
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| 存储模块 | Raw IMU、GNSS观测值、POS数据、日志记录 | 写入带宽、掉电保护、文件系统安全 |
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| 电源模块 | 宽压输入、电源转换、保护、保持供电 | 反接、浪涌、过流、纹波、上电时序 |
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| 结构接口模块 | 防水连接器、安装孔、坐标轴标识 | 与IP67、防呆、防松、线缆装配一致 |
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## 3. 主控与最小系统规格
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### 3.1 MCU选型要求
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| ID | 项目 | 规格要求 | 优先级 | 验收方式 |
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| ---------- | ---- | ----------------------------------------------------- | --: | ------- |
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| HW-MCU-001 | 主控型号 | STM32H747、STM32H755 或同级双核 MCU | P0 | BOM评审 |
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| HW-MCU-002 | 内核能力 | CM7 + CM4，具备 FPU、DMA、Timer、ETH、SPI、UART、SDMMC/FMC 等资源 | P0 | 外设资源表评审 |
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| HW-MCU-004 | 复位 | NRST、上电复位、外部复位、看门狗复位路径明确 | P0 | 复位测试 |
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| HW-MCU-005 | BOOT | BOOT配置明确，避免量产误进入系统Boot | P0 | 启动测试 |
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| HW-MCU-006 | 调试 | 保留 SWD/JTAG、Debug UART、必要测试点 | P0 | 烧录调试测试 |
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| HW-MCU-007 | 双核启动 | CM7/CM4启动、电源域、时钟域、共享内存资源不冲突 | P0 | 双核启动测试 |
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### 3.2 MCU外设资源分配
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| 功能 | 建议MCU资源 | 连接对象 | 备注 |
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| ----------------- | ------------------------- | ----------------- | ------------------ |
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| ADIS16488/SCH1633 | SPIx + EXTI + GPIO CS/RST | SPI IMU | SPI模式、字长、片选时序需确认 |
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| STIM300 | USARTx + DMA + 可选同步输入 | STIM300 | 默认 UART/RS422 类接口 |
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| GNSS数据 | USARTx + DMA | GNSS模块 | 支持配置、观测值、NMEA/私有协议 |
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| RTCM输入 | USARTx 或 Ethernet | GNSS模块/网络 | 可来自COM或NTRIP |
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| PPS捕获 | TIMx_CHx 输入捕获 | GNSS PPS | 必须硬件捕获 |
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| Event输入/输出 | TIMx_CHx 或 EXTI | 声呐/外部设备 | 建议硬件捕获优先 |
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| Ethernet | ETH MAC + RMII | PHY | 预留PTP验证能力 |
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| 存储 | SDMMC/FMC | eMMC/SDNAND/其他 | 满足连续写入 |
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| COM口 | USARTx + 收发器 | RS232/RS422/RS485 | 至少4路外部COM |
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| Debug | SWD + USART | 调试器/维护口 | 量产和问题定位必须保留 |
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## 4. IMU硬件规格
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### 4.1 IMU兼容目标
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| 项目 | ADIS16488 | SCH1633 | STIM300 |
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|---|---|---|---|
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| 默认定位 | 开发/验证IMU | 目标兼容IMU | 高性能/战术级IMU |
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| 默认接口 | SPI | SPI | UART/RS422 |
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| 数据就绪 | DRDY GPIO/EXTI | DRDY GPIO/EXTI | 串口帧到达/同步信号 |
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| 复位控制 | MCU GPIO控制 | MCU GPIO控制 | 建议MCU可控或预留复位控制 |
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| 同步方式 | DRDY/PPS对齐 | DRDY/PPS对齐 | 帧时间戳/PPS同步/外部同步 |
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| 供电 | 按器件手册 | 按器件手册 | 按STIM300手册确认 |
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| 电平 | 3.3V SPI为主 | 3.3V SPI为主 | RS422/TTL以实际器件版本确认 |
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| 默认频率 | ≥200Hz，目标支持更高 | ≥200Hz，目标支持更高 | 按配置，需支持高频输出 |
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| 关键风险 | SPI时序、DRDY、缓存同步 | 初始化、DRDY、数据有效性 | 粘包、跳帧、帧解析、时间戳 |
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| 验收方式 | 连续采样无异常 | 连续采样无异常 | 帧号连续、时间戳单调、无未解释丢帧 |
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### 4.2 IMU接口要求
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| ID | 项目 | 规格要求 | 优先级 | 验收方式 |
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| ---------- | ------------ | ------------------------------- | --: | ------ |
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| HW-IMU-001 | IMU供电 | IMU电源应具备独立滤波，优先使用低噪声LDO或低噪声电源支路 | P0 | 纹波测试 |
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| HW-IMU-002 | SPI接口 | SPI信号完整性、时序、电平、片选和字长满足IMU手册 | P0 | 示波器 |
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| HW-IMU-003 | UART/RS422接口 | STIM300接入路径明确，收发器电平和终端匹配可验证 | P0 | 串口抓包 |
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| HW-IMU-004 | DRDY | SPI类IMU的DRDY接入MCU EXTI或定时器捕获 | P0 | 示波器 |
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| HW-IMU-005 | RESET | IMU复位脚应由MCU控制或保留硬件复位手段 | P1 | 复位测试 |
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| HW-IMU-006 | 同步 | IMU数据时间戳与PPS/Event链路关系明确 | P0 | 周期抖动统计 |
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| HW-IMU-007 | 测试点 | SPI、UART、DRDY、RESET至少预留可调试测试点 | P1 | 示波器探测 |
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| HW-IMU-008 | 布局 | IMU靠近机械安装基准，远离DCDC、PHY、高热器件 | P0 | PCB评审 |
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### 4.3 IMU传感器指标记录表
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| 指标项 | 当前要求 | 目标/高配要求 | 单位 | 数据来源 |
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| -------- | --------- | ------- | ---------- | ------- |
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| 陀螺量程 | ±450 | ±480 | °/s | 器件手册 |
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| 加速度计量程 | ±18 | ±18 | g | 器件手册 |
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| 陀螺零偏不稳定性 | TBD | 越小越好 | °/h | 器件手册 |
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| 加计零偏不稳定性 | TBD | 越小越好 | mg | 器件手册 |
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| 角随机游走 | 1σ | 越小越好 | °/√Hz | 器件手册 |
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| 速度随机游走 | 1σ | 越小越好 | m/s/√Hz | 器件手册 |
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| 噪声密度 | 0.063 | 按器件手册 | mg/√Hz rms | 器件手册 |
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| 带宽 | 330 | 满足高频采样 | Hz | 器件手册/实测 |
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| 温度范围 | -40℃~+85℃ | 工业级 | ℃ | 器件手册 |
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| 温补 | 必须支持 | 全温补偿 | | 标定报告 |
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## 5. GNSS与双天线硬件规格
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### 5.1 GNSS基本要求
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| ID | 项目 | 规格要求 | 优先级 | 验收方式 |
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| ----------- | ------ | ------------------------------- | --: | ----------- |
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| HW-GNSS-001 | 模块 | 支持多频多星座RTK-GNSS | P0 | 模块资料/BOM评审 |
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| HW-GNSS-002 | 双天线 | 支持主天线和副天线，用于定位和定向 | P0 | 双天线定向测试 |
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| HW-GNSS-003 | 数据接口 | 支持UART收发，满足GNSS配置、观测值和状态输出 | P0 | 串口抓包 |
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| HW-GNSS-004 | RTCM输入 | 支持串口或网络RTCM差分输入 | P1 | RTK固定测试 |
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| HW-GNSS-005 | PPS输出 | GNSS PPS接入MCU定时器捕获通道 | P0 | 示波器/逻辑分析仪 |
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| HW-GNSS-006 | 状态脚 | RTK/PVT/ERR状态脚接入MCU GPIO，定义有效电平 | P1 | 状态切换测试 |
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| HW-GNSS-007 | 天线供电 | 支持有源天线供电、短路保护、过流保护、ESD保护 | P0 | 短路/电流测试 |
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| HW-GNSS-008 | 射频走线 | GNSS RF按50Ω阻抗控制，远离高速数字和开关电源噪声 | P0 | PCB评审/VNA可选 |
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### 5.2 双天线基线要求
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| 项目 | 规格要求 | 验收方式 |
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| ------ | ---------------------------- | ------ |
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| 主天线 | 作为定位主天线，输出位置、速度、PPS、观测值 | 定位测试 |
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| 副天线 | 与主天线构成双天线基线，用于航向解算 | 定向测试 |
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| 基线长度 | 支持配置2m/4m或实测基线长度 | 基线测量 |
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| 基线向量 | 支持输入主天线至副天线在船体坐标系下的XYZ向量 | 配置检查 |
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| 基线测量精度 | 建议实测误差≤5mm，作为高级航向性能前提 | 安装测量记录 |
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| 航向状态 | 能区分固定解、浮动解、无解、低SNR、周跳、多路径等状态 | 状态日志 |
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| 异常报警 | 支持天线开路/短路、基线变化异常、RTK失效报警 | 故障注入 |
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### 5.3 GNSS选型记录表
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| GNSS方案 | 星座频点 | 最大更新率 | RTK精度 | 授时精度 | RTCM支持 | 当前状态 |
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| ---------- | ------------ | -----: | ------ | ------ | ------------- | ----- |
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| K922 | 待补 | 待补 | 待补 | 待补 | RTCM v3.x | 当前原型机 |
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| F9P/X20P类 | 多星座双频 | 25Hz级 | cm级 | ns级 | RTCM v3.x | 参考 |
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| Mosaic X5类 | 多星座多频 | 100Hz级 | cm级 | <20ns级 | RTCM v2/v3 | 高配参考 |
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| BD992类 | 多星座多频/L-band | 50Hz级 | mm/cm级 | ns级 | RTCM/CMR/CMR+ | 高配参考 |
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## 6. 时间同步硬件规格
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### 6.1 PPS/PTP/Event/IMU时间链路
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| 同步对象 | 来源 | 硬件路径 | 精度目标 | 优先级 | 验收方式 |
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| ----------- | ------------ | ------------------ | ------------ | --: | --------- |
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| PPS | GNSS模块 | PPS → MCU TIM输入捕获 | 捕获误差≤5µs | P0 | 示波器/逻辑分析仪 |
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| PTP | Ethernet | ETH MAC/PHY硬件时间戳能力 | 目标≤1µs，需实测冻结 | P1 | PTP主从测试 |
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| IMU时间戳 | IMU DRDY/串口帧 | EXTI/TIM/UART DMA | TBD，需统计周期方差 | P0 | 连续采样统计 |
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| Event Input | 外部声呐/设备 | Event → TIM输入捕获优先 | TBD，目标微秒级 | P1 | 脉冲发生器测试 |
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| POS输出时间 | 系统时间 | 协议输出字段 | 与PPS时间基准一致 | P1 | 协议抓包 |
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**强制要求：PPS不允许仅作为普通GPIO状态读取。产品版应优先接入MCU硬件捕获通道，并保留PPS测试点。**
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### 6.2 Event接口要求
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| ID | 项目 | 规格要求 | 优先级 |
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|---|---|---|---:|
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| HW-TIME-001 | 电平 | 明确支持3.3V/5V/隔离输入中的一种或多种 | P1 |
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| HW-TIME-002 | 有效沿 | 支持配置上升沿/下降沿，硬件默认状态明确 | P1 |
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| HW-TIME-003 | 输入保护 | 外部输入必须具备ESD、限流和过压保护 | P0 |
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| HW-TIME-004 | 捕获资源 | 优先接入定时器捕获通道，避免仅靠软件轮询 | P0 |
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| HW-TIME-005 | 测试点 | Event信号链路应可通过示波器测试 | P1 |
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## 7. 通信接口硬件规格
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### 7.1 COM口默认配置
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| 端口 | 默认方向 | 默认协议/用途 | 默认频率 | 建议波特率 | 硬件标准 | 优先级 |
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| ---- | ----- | --------------------------- | -------: | -----------------: | ----- | --: |
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| COM1 | 输出 | PASHR + PRDID | 100Hz | 460800，最低115200需验算 | RS422 | P0 |
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| COM2 | 输出 | TSS1 | 100Hz | 115200/460800 | RS232 | P0 |
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| COM3 | 输入 | RTCM差分输入 | 按RTCM源 | 115200 | RS422 | P1 |
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| COM4 | 输出/调试 | Debug Log / Binary POS / 备用 | 10–100Hz | 115200/921600 | RS232 | P1 |
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### 7.2 RS232/RS422要求
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| 项目 | 规格要求 | 说明 |
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| ----- | ------------------------------------ | ------------- |
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| 收发器 | 根据接口标准选择专用收发器，不允许直接用MCU GPIO外接到外部连接器 | 外部接口可靠性要求 |
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| ESD保护 | 所有外部COM信号必须有ESD保护 | 保护器件靠近连接器 |
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| 终端匹配 | RS422根据用途预留可配置终端电阻 | 通过0Ω/跳帽/焊盘配置 |
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| 隔离 | 长线、船载复杂地环境建议评估隔离 | 原型机可先非隔离但需列风险 |
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### 7.3 以太网接口要求
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| ID | 项目 | 规格要求 | 优先级 | 验收方式 |
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| ---------- | ----- | ------------------------------ | --: | -------- |
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| HW-ETH-001 | 物理层 | 10/100Base-T，RMII连接MCU ETH MAC | P0 | Ping测试 |
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| HW-ETH-002 | PHY | PHY型号、地址、复位、时钟、MDIO/MDC明确 | P0 | PHY寄存器读写 |
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| HW-ETH-003 | 隔离变压器 | 网络隔离变压器应靠近RJ45接口侧，差分路径短且对称 | P0 | PCB评审 |
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| HW-ETH-004 | ESD保护 | RJ45侧预留以太网专用ESD/浪涌保护 | P0 | 原理图评审 |
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| HW-ETH-005 | PTP能力 | 确认MCU MAC/PHY组合支持PTP验证所需硬件能力 | P1 | PTP测试 |
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| HW-ETH-006 | 测试 | 支持Ping、Web、FTP、TCP/UDP实时输出 | P0 | 网络联调 |
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## 8. 存储硬件规格
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### 8.1 存储目标
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| ID | 项目 | 规格要求 | 优先级 | 验收方式 |
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| ---------- | ----- | ---------------------------------- | --: | ------- |
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| HW-STO-001 | 存储介质 | eMMC或等效非易失存储，建议容量≥16GB,原型机板载SDNANO | P0 | BOM评审 |
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| HW-STO-002 | 接口 | SDMMC/FMC等接口需满足持续写入带宽 | P0 | 连续写入测试 |
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| HW-STO-003 | 数据内容 | 支持Raw IMU、GNSS观测值、POS数据、系统日志 | P0 | 文件解析 |
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| HW-STO-004 | 掉电保护 | 与电源保持、PWR_FAIL、软件flush/sync闭环 | P0 | 写入中断电测试 |
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| HW-STO-005 | 信号完整性 | 高速存储走线满足长度、阻抗、参考地要求 | P0 | PCB评审 |
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| HW-STO-006 | 产测 | 支持容量识别、读写测速、坏块/错误统计 | P1 | 产测脚本 |
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### 8.2 掉电保护硬件要求
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| 项目 | 规格要求 |
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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等方式 |
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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≥200ms，最终以文件系统flush/sync实测时间冻结 |
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| 保持对象 | MCU、存储、电源监控和必要外设应保持到安全关闭完成 |
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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，文件可识别 |
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## 9. 电源与保护规格
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### 9.1 电源输入与保护
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| 项目 | 产品版规格 | 原型机状态 | 优先级 | 评审要求 |
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| -------- | -------- | ------- | ----: | ----------------------- |
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| 输入电压 | 9–36V DC | 4.5~28V | P0 | 原理图必须说明差异 |
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| 反接保护 | 必须支持 | 无 | P0 | 投板前关闭 |
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| 过压保护 | 必须支持 | 无 | P0 | 电源入口TVS/保护 |
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| 浪涌/EFT | 必须考虑 | 无 | P1 | EMC预扫前完成 |
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| 保险/限流 | 必须支持 | 无 | P0 | 保护电流路径明确 |
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| 电源滤波 | 必须支持 | 有 | P0 | DCDC前后滤波 |
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| IMU低噪声供电 | 建议必须 | 有 | P0/P1 | 独立LDO/滤波 |
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| GNSS天线供电 | 必须明确 | 有 | P0 | 电压、电流、短路保护 |
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| 掉电检测 | 必须支持 | 无 | P0 | PWR_FAIL/PVD/ADC |
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| 保持电源 | 必须支持 | 无 | P0 | 超级电容/UPS方案 |
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| 测试点 | 必须预留 | 无 | P0 | 12V、5V、3V3、1V8、GNSS、PPS |
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### 9.2 电源轨定义
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| 电源轨 | 负载对象 | 规格要求 | 验收方式 |
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| -------- | ------------ | ------------------- | ------ |
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| VIN | 外部输入 | 9–36V DC，具备保护和滤波 | 电源拉偏 |
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| +5V | IMU/外设/中间电源 | 电流余量≥30%，纹波满足负载要求 | 示波器 |
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| VDD_CORE | MCU/IO/数字电路 | 电压偏差、纹波、上电时序满足MCU要求 | 电源测试 |
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| VDD_GNSS | GNSS/天线供电 | 独立滤波，满足有源天线电流需求 | GNSS测试 |
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| VDD_NET | Ethernet PHY | 独立滤波，满足PHY上电时序 | 网络测试 |
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| VDD_IMU | IMU低噪声供电 | 建议低噪声LDO，纹波满足IMU要求 | 纹波测试 |
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### 9.3 功耗与热设计
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| 项目 | 规格要求 | 验收方式 |
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| ---- | ------------------------ | -------- |
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| 典型功耗 | 5W | 电源分析仪 |
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| 最大功耗 | 6W | 电源分析仪 |
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| 峰值电流 | 0.3A(12V) | 示波器/电流探头 |
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| 温升 | MCU、PHY、电源、IMU附近温升不得影响精度 | 热像仪/温箱 |
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| 散热路径 | 外壳导热、铜皮散热、热隔离IMU | PCB/结构评审 |
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## 10. 外部连接器
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| 接口 | 连接器型号 | Pin | 信号 | 方向 | 电平/标准 | 说明 |
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| --------- | ------- | --: | ------------------- | --- | --------- | ----------- |
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| 电源 | 雷莫1B | 2 | VIN | 输入 | 9–36V | 船载电源 |
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| COM1 | 雷莫00B | 4 | TX_P/TX_N/RX_T/TX_N | 双向 | RS422 | PASHR/PRDID |
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| COM2 | 雷莫00B | 2 | TX/RX | 双向 | RS232 | 可配置 |
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| COM3 | 雷莫00B | 4 | TX_P/TX_N/RX_T/TX_N | 双向 | RS422 | TSS1 |
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| COM4 | 雷莫00B | 2 | TX/RX | 双向 | RS232 | RTCM输入 |
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| PPS | 雷莫00B | 2 | 1PPS/GND | 输出 | 3.3V | 时间同步 |
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| DIOx | 雷莫00B | 4 | EVENT_IN/OUT | 双向 | 3.3V | 事件打戳/时间同步 |
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| Ethernet | RJ45 | - | TX/RX | 双向 | 100Base-T | Web/FTP/PTP |
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| GNSS ANT1 | SMA/TNC | - | RF_IN1 | 输入 | 50Ω | 主天线 |
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| GNSS ANT2 | SMA/TNC | - | RF_IN2 | 输入 | 50Ω | 副天线 |
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| Debug | SH125 | 8 | SWD/UART | 双向 | 3.3V | 调试/产测 |
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## 11. PCB设计约束
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### 11.1 PCB布局约束
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| 模块 | 必查项 | 通过标准 |
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|---|---|---|
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| IMU布局 | 靠近机械安装基准，远离DCDC、PHY、高热器件 | 降低热、振动、噪声影响 |
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| IMU坐标轴 | PCB、外壳、软件坐标系一致 | 丝印和文档一致 |
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| GNSS射频 | RF走线50Ω阻抗控制，远离噪声源 | RF路径短、直、参考地连续 |
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| PPS/Event | 走线短，远离高速线和开关电源 | 有测试点，回流路径完整 |
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| 以太网 | RMII、差分线、网络变压器、RJ45符合规范 | 差分阻抗、长度、地参考满足 |
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| 高速存储 | eMMC/SDRAM走线满足长度、阻抗、参考平面要求 | 无明显高速信号风险 |
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| 电源布局 | DCDC回路紧凑，敏感电源滤波隔离 | 纹波和EMI可控 |
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| 地平面 | 无关键回流路径中断 | 关键信号下方连续地 |
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| 外部接口 | 连接器方向、间距、防呆、防水符合结构 | 装配无干涉 |
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| 测试点 | 3V3、5V、1V8、PPS、SPI、UART、DRDY、Reset可测 | 探针可接触 |
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| 热设计 | MCU、PHY、电源、eMMC有散热路径 | 不影响IMU/GNSS |
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### 11.2 STM32H7缓存/DMA硬件约束
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| 项目 | 规格要求 | 说明 |
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|---|---|---|
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| Ethernet DMA | 描述符和DMA缓冲区应放置在DMA可访问内存区域 | 避免放入DTCM等DMA不可访问区域 |
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| Cache一致性 | DMA缓冲区必须有明确的Cache策略 | 可使用MPU配置Non-cache区域或严格Clean/Invalidate |
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| 对齐 | DMA缓冲区建议32字节对齐 | 适配DCache line |
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| SDMMC DMA | SDMMC读写缓冲需确认内存区域、对齐、Cache维护 | 避免UNDERRUN/OVERRUN类问题 |
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| NetX/FileX数据路径 | 网络包到存储写入如跨DMA域，需评估是否复制到安全缓冲区 | 原型机已暴露相关风险 |
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## 12. 原理图评审清单
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| 模块 | 必查项 | 通过标准 |
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|---|---|---|
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| 需求追溯 | 每个关键电路来源于需求、问题单或接口定义 | 无来源设计需补依据 |
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| MCU最小系统 | 电源、复位、BOOT、时钟、SWD、VBAT完整 | 可稳定启动、烧录、调试 |
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| IMU接口 | ADIS16488、STIM300、SCH1633供电、接口、电平、复位、同步明确 | 每种IMU接入路径清晰 |
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| GNSS模块 | 双天线、PPS、RTK/PVT/ERR、串口完整 | 支持定位、定向、状态监测 |
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| PPS | 接入MCU定时器捕获通道 | 不仅是普通GPIO |
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| PTP | ETH MAC/PHY硬件能力明确 | 不明确则列风险 |
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| 串口COM | RS232/RS422/RS485模式、默认配置、终端匹配明确 | 可配置、可测试 |
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| 电源输入 | 9–36V、反接、保险、浪涌、TVS、滤波完整 | 满足船载环境 |
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| 掉电保护 | 掉电检测、保持供电、文件安全关闭链路完整 | 支持数据记录安全 |
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| 存储 | eMMC供电、接口、写入能力满足需求 | 支持Raw/PPK记录 |
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| 外部接口 | FPC、RJ45、串口、PPS、Event、GNSS天线定义清楚 | 线缆和结构可落地 |
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| ESD/EMC | 外部接口具备保护设计 | 保护器件靠近接口侧 |
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| 调试/产测 | SWD、Debug UART、电源测试点、PPS测试点保留 | 可调试、可产测 |
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## 13. 板级调试与硬件验收
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### 13.1 上电前检查
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| 检查项 | 通过标准 | 记录 |
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| ------ | --------------- | --- |
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| 外观检查 | 无短路、虚焊、反件、错件 | □ |
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| 电源输入阻抗 | VIN对GND无明显短路 | □ |
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| 关键电源阻抗 | 5V、3V3、1V8无明显短路 | □ |
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| BOOT配置 | 启动模式符合设计 | □ |
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| 调试接口 | SWD/JTAG可连接 | □ |
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| 连接器方向 | 防呆、丝印、线序一致 | □ |
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### 13.2 上电调试项目
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| ID | 测试项 | 工具/环境 | 通过标准 |
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|---|---|---|---|
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| TEST-HW-001 | 电源轨测试 | 示波器/万用表 | 电压、纹波、上电时序正常 |
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| TEST-HW-002 | MCU启动 | 调试器 | 可烧录、可运行、复位正常 |
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| TEST-HW-003 | IMU通信 | 逻辑分析仪/串口工具 | 能读取数据，频率稳定 |
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| TEST-HW-004 | GNSS通信 | 串口工具/天线环境 | 有定位输出、PPS有效 |
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| TEST-HW-005 | PPS捕获 | 示波器/逻辑分析仪 | PPS边沿与捕获计数稳定 |
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| TEST-HW-006 | Ethernet | 网线/交换机/PC | Ping稳定，Web/FTP可用 |
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| TEST-HW-007 | COM输出 | 串口工具 | PASHR/TSS1/Debug输出稳定 |
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| TEST-HW-008 | 存储读写 | 文件系统测试 | 连续读写无错误 |
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| TEST-HW-009 | 掉电保护 | 可控电源 | 写入断电后文件系统不损坏 |
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| TEST-HW-010 | 温升 | 热像仪 | 高负载运行无异常热点 |
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### 13.3 正式投板准入条件
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| 类别 | 准入条件 | 是否必须 |
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|---|---|---|
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| 原理图 | P0问题关闭，P1问题有明确风险接受或整改计划 | 必须 |
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| PCB | 关键接口、阻抗、回流、电源、测试点评审完成 | 必须 |
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| 电源 | 输入保护、供电稳定、无异常发热风险 | 必须 |
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| IMU | 接入路径、供电、同步、坐标轴方向明确 | 必须 |
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| GNSS | 双天线、PPS、RTCM、天线供电保护明确 | 必须 |
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| 通信 | COM、Ethernet、Debug、产测接口定义明确 | 必须 |
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| 存储 | 存储接口和掉电保护链路明确 | 必须 |
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| 结构 | 连接器、安装孔、坐标轴、防水方案无明显冲突 | 必须 |
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| BOM | 关键器件可采购，替代料策略明确 | 必须 |
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## 14. 风险清单
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| 风险ID | 风险项 | 影响 | 等级 | 规避措施 | 状态 |
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|---|---|---|---:|---|---|
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| R-HW-001 | IMU接口兼容不完整 | 无法同时兼容ADIS16488/STIM300/SCH1633 | P0 | 投板前冻结每种IMU的供电、接口、电平、复位、同步路径 | Open |
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| R-HW-002 | PPS只接普通GPIO | 时间戳精度不足，后续难以补救 | P0 | PPS必须接TIM输入捕获并留测试点 | Open |
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| R-HW-003 | eMMC掉电保护不足 | 文件系统损坏，数据记录不可用 | P0 | 加入PWR_FAIL和保持供电设计，实测flush时间 | Open |
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| R-HW-004 | Ethernet DMA缓存问题 | Ping/Web/FTP不稳定 | P0 | 明确DMA内存区域、MPU和Cache策略 | Open |
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| R-HW-005 | SDMMC/存储DMA缓冲不安全 | 写入出现UNDERRUN/OVERRUN或数据错误 | P0 | 规定DMA安全缓冲区和32字节对齐策略 | Open |
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| R-HW-006 | GNSS RF走线和天线供电不规范 | 定位/定向性能下降 | P0 | 50Ω控制、ESD、防雷、短路保护、远离噪声源 | Open |
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| R-HW-007 | 外部接口ESD/浪涌不足 | 外场接口损坏 | P1 | 所有外部接口增加保护器件并靠近连接器 | Open |
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| R-HW-008 | IMU受热源影响 | 姿态和升沉精度下降 | P1 | IMU远离DCDC/PHY/MCU热点，优化散热路径 | Open |
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## 15. 附录：需求ID规则
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| 分类 | ID前缀 | 示例 |
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|---|---|---|
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| 硬件架构 | HW-ARCH | HW-ARCH-001 |
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| MCU | HW-MCU | HW-MCU-001 |
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| IMU | HW-IMU | HW-IMU-001 |
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| GNSS | HW-GNSS | HW-GNSS-001 |
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| 时间同步 | HW-TIME | HW-TIME-001 |
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| 通信接口 | HW-COM / HW-ETH | HW-ETH-001 |
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| 存储 | HW-STO | HW-STO-001 |
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| 电源 | HW-PWR / EE-PWR | HW-PWR-001 |
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| PCB | HW-PCB | HW-PCB-001 |
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| 测试 | TEST-HW | TEST-HW-001 |
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## 16. 待补充项
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| 项目 | 当前状态 | 责任人 | 完成时间 |
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|---|---|---|---|
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| 最终MCU型号 | 待冻结 | | |
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| 最终IMU型号和接口版本 | 待冻结 | | |
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| GNSS模块手册参数 | 待补充 | | |
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| 连接器型号与Pinout | 待补充 | | |
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| 电源树电流预算 | 待补充 | | |
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| eMMC型号与写入带宽 | 待补充 | | |
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| PTP硬件能力实测 | 待验证 | | |
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| IP67结构方案 | 待结构确认 | | |
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| 原理图P0问题清单 | 待评审 | | |
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| PCB关键约束文件 | 待输出 | | |
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