Промышленная плата-носитель для Raspberry Pi CM4
В этой статье я кратко описываю разработанную мной промышленную плату-носитель (carrier board) на базе Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4), предназначенную для использования в качестве промышленного шлюза, а также основные подходы к проектированию высокоскоростных печатных плат. Основной целью было создание надежной, гибкой и расширяемой аппаратной платформы, способной длительно работать в промышленных условиях и оснащённой изолированной коммуникационной инфраструктурой.
Цель проекта
Плата разработана для выполнения задач сбора данных, преобразования протоколов и работы в качестве сетевого шлюза в промышленных средах. Предусмотрена модульная архитектура, подходящая для промышленной автоматизации, мониторинга энергии, удалённых I/O-систем и специализированных коммуникационных решений.
Аппаратные характеристики
Процессорный модуль: Raspberry Pi Compute Module 4
Сетевое подключение:
Два Ethernet-порта (1× 1 Gbps + 1× 100 Mbps)
Высокоскоростная трассировка дифференциальных пар с контролируемым импедансом
USB:
Два USB-порта
Поддержка загрузки через USB Type-C
Промышленная связь:
RS485 Modbus
Полная гальваническая развязка (разделение питания и связи)
Питание:
Широкий диапазон входного напряжения 9–36 В DC
Совместимость с промышленными источниками питания
Интерфейс дисплея:
- Порт DSI LCD (для сенсорных или промышленных дисплеев)
Расширяемость:
Внешний SPI-порт, расположенный с правой стороны платы
Возможность подключения специально разработанных внешних модулей
Механический дизайн:
- Форм-фактор, совместимый со стандартными промышленными корпусами
Хранение данных и загрузка:
Загрузка через USB Type-C
Поддержка microSD-карт
Встроенная eMMC для ОС и хранения данных
Сценарии использования как промышленного шлюза
Данная плата может использоваться как:
Преобразователь Modbus RTU ↔ Ethernet / TCP
Шлюз сбора данных и IoT
Устройство интеграции локальной сети с облаком
Edge-компьютер в шкафах промышленного управления
Расширяемая система с SPI-модулями датчиков или управления
PCB-дизайн и подход к высокоскоростному проектированию
Проектирование печатной платы выполнено с учетом принципов high-speed design:
Контролируемый импеданс для линий Ethernet и USB
Согласование длин дифференциальных пар
Многослойная структура PCB с разделением питания, земли и сигналов
Стратегии размещения и заземления для снижения EMI / EMC
Безопасные расстояния creepage и clearance между изолированными зонами
Особое внимание уделялось стабильной работе высокоскоростных интерфейсов CM4 и устойчивости к помехам в промышленных условиях.
Заключение
Плата-носитель на базе Raspberry Pi CM4 была разработана как промышленное шлюзовое решение, сочетающее высокоскоростную связь и промышленную изоляцию. Модульная архитектура и возможность расширения через SPI делают платформу универсальной и пригодной для повторного использования в различных проектах.