Thiết kế bo mạch mang công nghiệp cho Raspberry Pi CM4
Trong bài viết này, tôi trình bày tổng quan về bo mạch mang (carrier board) định hướng gateway công nghiệp được phát triển dựa trên Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4), cùng với các phương pháp thiết kế PCB tốc độ cao được áp dụng. Mục tiêu chính là tạo ra một nền tảng phần cứng linh hoạt, có khả năng mở rộng và hoạt động ổn định lâu dài trong môi trường công nghiệp, với hệ thống truyền thông được cách ly an toàn.
Mục tiêu dự án
Bo mạch được thiết kế để thực hiện các chức năng thu thập dữ liệu, chuyển đổi giao thức và gateway trong môi trường công nghiệp. Kiến trúc mô-đun cho phép ứng dụng trong tự động hóa nhà máy, giám sát năng lượng, hệ thống I/O từ xa và các giải pháp truyền thông tùy chỉnh.
Đặc điểm phần cứng
Mô-đun xử lý: Raspberry Pi Compute Module 4
Kết nối mạng:
Dual Ethernet (1× 1 Gbps + 1× 100 Mbps)
Định tuyến cặp vi sai tốc độ cao với kiểm soát trở kháng
USB:
Hai cổng USB
Hỗ trợ boot qua USB Type-C
Truyền thông công nghiệp:
RS485 Modbus
Cách ly galvanic hoàn toàn giữa nguồn và tín hiệu
Nguồn cấp:
Dải điện áp đầu vào công nghiệp 9–36 V DC
Tương thích với nguồn công nghiệp
Giao diện hiển thị:
- Cổng DSI LCD (cho màn hình cảm ứng hoặc màn hình công nghiệp)
Khả năng mở rộng:
Cổng SPI ngoài bố trí bên phải bo mạch
Dùng để kết nối các mô-đun hoặc thiết bị tùy chỉnh
Thiết kế cơ khí:
- Phù hợp lắp đặt trực tiếp vào vỏ công nghiệp tiêu chuẩn
Lưu trữ và boot:
Boot qua USB Type-C
Hỗ trợ thẻ microSD
Bộ nhớ eMMC tích hợp cho hệ điều hành và dữ liệu
Kịch bản sử dụng như Gateway công nghiệp
Bo mạch này có thể được sử dụng như:
Bộ chuyển đổi Modbus RTU ↔ Ethernet / TCP
Gateway thu thập dữ liệu và IoT
Thiết bị tích hợp mạng nội bộ với nền tảng đám mây
Máy tính biên (edge computing) trong tủ điều khiển công nghiệp
Hệ thống mở rộng với các bo cảm biến hoặc điều khiển dựa trên SPI
Thiết kế PCB và phương pháp thiết kế tốc độ cao
PCB được thiết kế theo các nguyên tắc high-speed design:
Kiểm soát trở kháng cho đường Ethernet và USB
Cân bằng chiều dài cặp vi sai
PCB đa lớp với mặt phẳng nguồn, mass và tín hiệu tách biệt
Chiến lược bố trí và nối đất nhằm giảm nhiễu EMI / EMC
Khoảng cách creepage và clearance an toàn giữa các vùng cách ly
Trọng tâm của thiết kế là đảm bảo các giao diện tốc độ cao của CM4 hoạt động ổn định và có khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp.
Kết luận
Bo mạch mang dựa trên Raspberry Pi CM4 này được thiết kế như một giải pháp gateway công nghiệp sẵn sàng triển khai thực tế, kết hợp truyền thông tốc độ cao và cách ly công nghiệp. Cấu trúc mô-đun và khả năng mở rộng qua SPI giúp nền tảng có thể tái sử dụng cho nhiều dự án khác nhau trong tương lai.