Pi. MX8 项目 - 介绍与概览

Lukas Henkel
|  已创建:January 16, 2024  |  已更新:July 1, 2024
PiMX8 第一章

章节

1
Introduction and Overview
| Created: January 18, 2024
2
Component Placement and Layout Planning
| Created: February 06, 2024
3
Board Layout Part 1
| Created: February 22, 2024
4
Board Layout Part 2
| Created: March 21, 2024
5
Board Layout Part 3
| Created: June 24, 2024
6
Board Layout Part 4
| Created: July 23, 2024
7
PCB Assembly (and Testing)
| Coming soon

Raspberry Pi公司开发了市场上可能是最受欢迎和广泛使用的单板计算机。这些强大的单板计算机长期以来不仅在制造者和爱好者场景中使用,而且也在工业领域中使用。

随着应用领域的扩展,这些板的形式因素正逐渐成为单板计算机和模块的“事实”标准。2020年底推出的计算模块CM4标志着系统模块的新形式因素标准的确立。

自那时起,来自Allwinner和Rockchip等制造商的各种SoCs,以及强大的FPGAs,已无缝集成到广泛采用的CM4形式因素中。

动机

Pi.MX8模块将加入CM4兼容模块的列表。

鉴于有这么多兼容的SoMs可供选择,我们为什么还要投入时间设计另一个变体呢?

答案很简单:当我们围绕计算机模块构建一个复杂且有时成本高昂的系统时,我们也希望对模块本身拥有设计主权。我们希望能够访问模块的原理图和布局源数据,我们希望能够在组件短缺的情况下自己决定模块的BOM,最重要的是,我们希望能够访问PCB上使用的所有组件的文档。

所有这些只有在完全开源项目的背景下才可能实现,利用具有现成文档的组件。

之前Pi.MX8布局修订的图像

之前Pi.MX8布局修订的图像

在这篇和后续的文章中,我们将探讨设计一个完全开源的CM4兼容模块。在我们的旅程结束时,CM4兼容模块的源数据将被发布,供任何人审查、修改或构建!

选择主要的SoC

在选择任何外围组件之前,我们必须定义的核心构建块是系统芯片。有一款SoC满足了易于获取文档的所有要求,并且在行业中广泛使用,即NXP的i.MX8M Plus

这款SoC提供了几种变体,从两个到四个Cortex-A53核心,时钟频率高达1.8 GHz。此外,这个处理器系列还内置了一个次级Cortex M7核心和一个集成的机器学习加速器。

i.MX8M Plus SoC硬件特性 - 图片来源:NXP网站

i.MX8M Plus SoC硬件特性 - 图片来源:NXP网站

i.MX8提供了几乎所有与Raspberry Pi CM4模块上使用的BCM2711相同的外设接口,但有一个主要例外:

i.MX8上只有一个HDMI接口,而BCM2711上有两个端口。这个限制可以通过使用DSI到HDMI桥来绕过。为了保持部件数量和复杂性低,这个IC暂时不会集成在我们的模块上。

除了第二个HDMI接口外,i.MX8非常适合我们的应用!

外设组件

模块的高级别块图只包含几个关键组件。中心构建块是i.MX8 SoC,它提供了所有必要外设组件的接口。简单来说,我们正在为i.MX8处理器构建一个分线板:

Pi.MX8的块图

Pi.MX8的块图

PMIC

让我们从系统的电源供应开始。电源管理IC(简称PMIC)提供了SoC所需的几个电压轨,但也设计用于为像SD卡连接器这样的接口供电。

PMIC还负责确保正确的上电和下电序列,这对于较大的SoC来说可能相当复杂。

NXP提供了一款专门为i.MX 8M应用处理器使用而开发的PMIC。该IC通过组合降压转换器和LDO生成多达11个电压轨。SoC的核心电压由降压转换器生成,因为在低操作电压下电流需求相当高。供应四个A53核心的电压轨是由PMIC中集成的双相降压转换器生成的,以满足高电流需求。

我们将使用的PMIC是PCA9450

NOR Flash

低容量的NOR flash可以用来存储板特定数据以及作为启动介质。i.MX8 SoC支持多个SPI接口来访问启动介质。在这种情况下,我们使用四路SPI接口连接到一个32MB的SPI NOR flash。

该设备是来自Integrated Silicon Solution, Inc.的IS25WP256D-RHLE

这个特定的封装和引脚布局也可以从不同的制造商那里获得,这使得在出现可用性问题时可以更换组件。

以太网PHY

以太网PHY需要支持千兆速度以及精确时间协议,以便与CM4功能兼容。与SoC的接口应该是一个简化的千兆位介质独立接口(RGMII)。这种接口类型得到了广泛的以太网PHY支持,用于嵌入式应用。

我们将使用来自Microchip Technology的LAN8840

这款PHY支持千兆速度以及根据IEEE 1588-2008 (v2)的高精度时间戳记。QFN48封装也相对紧凑,节省了模块上宝贵的板空间。

DRAM

我们将在Pi.MX8模块上使用低功耗DDR4内存。几家制造商提供相同封装和引脚布局的LPDDR4 IC,这使得在出现可用性问题时更容易应对,或支持多种内存容量。三星和美光是最常用的LPDDR4设备制造商。我们将使用支持32位宽总线以3733 Mbps的传输速度的设备。

Pi.MX8可以配备多种内存容量:

内存容量表

内存容量表

Coral Edge TPU

Coral Edge TPU可用于加速嵌入式设备上的神经网络计算。通常以M.2扩展卡的形式使用的Coral TPU,也提供小型LGA封装。

此模块包含张量处理器以及运行TPU所需的电源管理IC。我们需要为此模块提供PCIe接口,以利用可用的处理能力。

因为这个模块仅适用于少数特定用例且相对昂贵,我们将其作为一个装配变体来实现。

WiFi/BLE模块

WiFi和蓝牙低能耗是物联网应用中最常用的无线接口之一。我们将使用MURATA LBEE5PK2BC模块作为一体化解决方案。

该模块同时提供W-LAN和蓝牙功能,同时最小化了所需外部组件的数量。并非每个应用都需要无线连接,这就是为什么WiFi/BLE模块也将作为一个装配变体来实现。

eMMC存储

eMMC模块为Pi.MX8模块提供高达32GB的存储容量。与LPDDR4 DRAM一样,我们可以在遵循相同封装和引脚标准的多个制造商中选择eMMC存储模块。SanDisk是eMMC模块最常用的制造商之一。

eMMC也将作为一个装配变体来实现,以节省不需要高数据存储容量应用的BOM成本。

测试配合关键组件

在进入下一阶段设置原理图和PCB设计之前,让我们快速查看一下我们刚刚选择的所有组件的空间要求。

为此,我们可以设置PCB库组件,并将它们放置在CM4外形尺寸的PCB轮廓内。

测试配合关键组件

测试关键组件的适配性

所有关键组件都能够适配于CM4外形轮廓的顶层内。这种粗略的布局也显示出顶层留给较大组件的空间很少。我们使用的板对板连接器的配合高度仅为2mm。这限制了我们可以在PCB底层放置的组件的高度。理想情况下,所有关键组件都将放置在板的顶层,以避免与可能放置在模块下方的载板上的部件发生碰撞。

接下来是什么?

激动人心的更新即将到来!随着组件选择完成,我们的旅程将继续在即将到来的更新中完成原理图的最终确定。在开始时注意到PCB布局截图中缺少了什么吗?那是因为它是一个较旧的修订版,我们正在重新布线整个PCB以整合新功能。加入我们的行列,通过嵌入式的A365查看器和我们的公共工作区实时跟进进度!不要错过——敬请期待这一激动人心的转变!

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关于作者

关于作者

Lukas is a passionate hardware designer with more than 10 years of experience in the electronics industry. As a co-founder of his own engineering services company, he has had the privilege of working on many exciting projects, taking on challenges ranging from precision analogue design to high-speed PCB layout and power electronics.

As a strong supporter of the open-source philosophy, Lukas has made it his goal to give anyone interested an insight into the construction and functioning of modern electronic devices. Driven by that goal, he has founded the company Open Visions Technology (OV Tech GmbH), which aims to bring highly repairable, fully documented state-of-the-art consumer hardware to the market.

Lukas firmly believes that with today's online access to know-how and tools, anyone with an idea, drive, and passion can create extraordinary things. He is looking forward to being part of an enthusiastic community and is excited to see how people bring their ideas to life.

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