CN216057085U

CN216057085U - 多通信模组及多外设接入的物联网终端

Info

Publication number: CN216057085U
Application number: CN202122312608.6U
Authority: CN
Inventors: 薛栋梁; 曹东刚; 范志强; 麻志毅; 梅宏
Original assignee: Advanced Institute of Information Technology AIIT of Peking University; Hangzhou Weiming Information Technology Co Ltd
Current assignee: Peking University; Advanced Institute of Information Technology AIIT of Peking University
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2031-09-23

Abstract

本申请实施例中提供了一种多通信模组及多外设接入的物联网终端，物联网终端包括RISC‑V处理器，RISC‑V处理器通过串口连接CH376芯片模块，RISC‑V处理器通过并行接口连接CH438芯片模块；CH376芯片模块设置有多个接口；CH438芯片模块设置有多个串行接口。本申请通过CH376芯片扩展USB口、SD卡进行文件管理控制；通过CH438芯片扩展串口；通过串口转WiFi、RJ‑45以太网以及4G等通讯设备，并扩展网络。

Description

多通信模组及多外设接入的物联网终端

技术领域

本申请属于物联网通信技术领域，具体地，涉及一种多通信模组及多外设接入的物联网终端。

背景技术

物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

RISC-V架构处理器是近几年兴起的学术界和工业界的一个研究热点。RISC-V是基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA)，是一种开源指令集，相比其它指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件；从长远来看，解决芯片领域的“卡脖子”问题。

而嵌入式开发的RISC-V处理器相比手机、PC上的高性能处理器，其应用于传感设备的微控制器对生态的依赖性没有那么高，指令集更精简，功耗更低，能更好的满足物联网中各种异构和需要定制的应用场景。

相关的现有技术中，WiFi通信技术是一种可以将各种节点设备以无线方式互相连接的短距离无线局域网通信技术，其覆盖范围可达近百米，传输速率高且组网方式简单，可以用于节点设备间短程通信。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，具有较高的通信速率。1Gb/s的技术应用也变得十分成熟，能够更好地满足当前的带宽标准。5G/4G/3G通信技术是一种支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，速率一般在几百kbps以上，是基于IP协议的高速蜂窝移动网络，具有较高的网络带宽。蓝牙通信Bluetooth是一种使用短波特高頻无线电波进行通信的无线通信技术，用来让设备之间互相交流数据，以形成个人局域网。蓝牙采用自适应跳频的方法，具有高度的抗干扰能力，可与Wi-Fi、ZigBee等协议共享。ZigBee通信技术是一种低速短距离传输的无线网络通信技术，底层采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层，其具有低耗电、低成本、支持大量网络节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、低时延等的优势，适用于物联网节点设备间通信，如有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输等。LoRa通信技术是一种基于线性调频扩频技术派生的扩频调制低功率广域网技术，最大程度地实现更长距离通信与更低功耗，同时还可节省额外的中继器成本。LoRa是工业物联网中不可或缺的一部分，适用于每隔几分钟发送和接收少量数据的应用情况。

随着物联网的飞速发展，相应的对物联网通讯设备的性能要求也越来越高。因此，如何基于物联网中物与物通信以及人与物通信的多样化通信需求，通过RISC-V处理器支持多种通信方式的节点级智能设备成为本领域研究重点。

实用新型内容

本实用新型提出了一种多通信模组及多外设接入的物联网终端，使智能设备实现了基于RISC-V处理器并支持多种通信方式，使得工业数据在互联互通的网络上进行传输和汇聚，满足了基于物联网中物与物通信以及人与物通信的多样化通信需求。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种多通信模组及多外设接入的物联网终端，包括RISC-V处理器，RISC-V处理器通过串口连接CH376芯片模块，RISC-V处理器通过并行接口连接CH438芯片模块；

CH376芯片模块设置有多个接口；CH438芯片模块设置有多个串行接口。

在本申请一些实施方式中，CH376芯片模块设置有USB接口以及SD卡接口。

在本申请一些实施方式中，CH438芯片模块设置有八个串行接口。

在本申请一些实施方式中，多个串行接口连接WiFi/RJ-45二合一模块、4G/5G模块、485设备和/或CAN设备。

在本申请一些实施方式中，RISC-V处理器还通过SPI接口连接触摸屏和/或LoRa模块。

在本申请一些实施方式中，RISC-V处理器还设置有调试串口以及按键接口。

在本申请一些实施方式中，RISC-V处理器采用SiPEED M1型号的封装模组，封装模组内置K210芯片、16MFLASH芯片以及电源芯片组。

在本申请一些实施方式中，K210芯片采用64位双核且带AI算法的处理器。

在本申请一些实施方式中，WiFi/RJ-45二合一模块采用HF-A21芯片。

在本申请一些实施方式中，4G模块采用Quectel_EC200T芯片。

在本申请一些实施方式中，RISC-V处理器通过所述CH438芯片的串行接口连接直流计量模块，所述直流计量模块用于对输入电源进行测量。

采用本申请的多通信模组及多外设接入的物联网终端，物联网终端包括RISC-V处理器，RISC-V处理器通过串口连接CH376芯片模块，RISC-V处理器通过并行接口连接CH438芯片模块；CH376芯片模块设置有多个接口；CH438芯片模块设置有多个串行接口。

本申请通过CH376扩展USB口、SD卡进行文件管理控制；通过CH438芯片扩展串口；通过串口转WiFi、RJ-45以太网以及4G等通讯设备，并扩展网络。

本申请使智能设备实现了基于RISC-V处理器并支持多种通信方式，使得工业数据在互联互通的网络上进行传输和汇聚，满足了基于物联网中物与物通信以及人与物通信的多样化通信需求。

本申请基于RISC-V架构，通过外部扩展出多种串口，接口全面众多，可以通过串口再扩展通讯设备，并作为基础平台连接各种外设，如传感器、PLC等，外设采集到的工业数据通过扩展的通讯设备进行交互和汇总，适用于工业物联网场景下的信息共享和分析诊断，便于及时做出反应。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施例的物联网终端的整体结构示意图；

图2示出了本申请实施例的RISC-V处理器核心模组及外部接口图；

图3示出了本申请实施例的RISC-V处理器的开关电源生成电路示意图；

图4示出了本申请实施例的WiFi/RJ-45二合一模块电路示意图；

图5示出了本申请实施例的4G通信模块电路示意图；

图6示出了本申请实施例的CH438扩展串口芯片电路示意图；

图7示出了本申请实施例的触摸屏电路示意图；

图8示出了本申请实施例的LORA通信模块示意图；

图9示出了本申请实施例的CH376文件管理模块示意图；

图10示出了本申请实施例的直流电源计量模块电路示意图。

具体实施方式

在实现本申请的过程中，发明人发现基于RISC-V处理器的工业物联网网关还处于起步阶段，很多外设支持还不够完善，需要通过外部扩展的方式进行补充。

基于此，本实用新型提供了一种多通信模组及多外设接入的物联网终端，物联网终端包括RISC-V处理器，RISC-V处理器通过串口连接CH376芯片模块，RISC-V处理器通过并行接口连接CH438芯片模块；CH376芯片模块设置有多个接口；CH438芯片模块设置有多个串行接口。

同时，基于与MCU直连的CH376T扩展芯片，实现了芯片对USB设备以及SD卡的文件读写。

本申请的RISC-V处理器选用K210芯片，但该芯片没有USB接口，本申请通过CH376芯片扩展了一个USB口和SD卡接口，该芯片与RISC-V处理器通过串口进行连接，方便单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件。

其中，K210芯片处理器没有内置MAC，本申请通过串口转以太网模块，扩展了以太网口。

工业物联网中串口是应用非常广泛的接口，但是RISC-V处理器只有两个串口，一个用于调试。但物联网网关一般要求接口众多，以便于连接多个传感器或者PLC设备等。基于此，本申请通过CH438芯片扩展了8个串口，这样有就足够多的串口用于连接多个传感器。

为了扩展各种通讯器应用于物联网多样的通信场景，本申请还通过CH438扩展的串口连接各种通讯器，包括CAN、4G设备、WiFi/RJ-45二合一模块、Bluetooth、Zigbee等，另外还有spi驱动的lora模块。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

图1示出了本申请实施例的物联网终端的结构示意图。

如图1所示，本申请实施例提供的提供了一种多通信模组及多外设接入的物联网终端，包括RISC-V处理器，RISC-V处理器通过串口连接CH376芯片模块，RISC-V处理器通过并行接口连接CH438芯片模块；CH376芯片模块设置有多个接口；CH438芯片模块设置有多个串行接口。

其中，CH376芯片模块设置有USB接口以及SD卡接口。

其中，CH438芯片模块设置有八个串行接口。

其中，多个串行接口连接WiFi/RJ-45二合一模块、4G/5G模块、485设备和/或CAN设备。

其中，RISC-V处理器还通过SPI接口连接触摸屏和/或LoRa模块。

其中，RISC-V处理器还设置有调试串口以及按键接口。

其中，RISC-V处理器采用SiPEED M1型号的封装模组，封装模组内置K210芯片、16MFLASH芯片以及电源芯片组。

其中，K210芯片采用64位双核且带AI算法的处理器。

其中，WiFi/RJ-45二合一模块采用HF-A21芯片。4G模块采用Quectel_EC200T芯片。

其中，RISC-V处理器通过所述CH438芯片的串行接口连接直流计量模块，所述直流计量模块用于对输入电源进行测量。

本申请采用了RISC-V处理器，内含大容量存储器、液晶显示屏，可连接各种传感器，辅以各种传输模块，从而可以将现场采集到的数据及时上传后台，以供后台系统进行处理、分析、决策以及控制。

进一步说明的，

如图1所示，以RISC-V处理器为核心，通过串口连接到CH376芯片，该芯片扩展了USB口和SD卡接口；通过8-bit MCU接口连接到LCD；通过SPI接口连接到触摸屏；通过另外一个8-bit MCU接口连接到CH438芯片，并扩展出8个串口；通过SPI接口连接到LoRa模块；通过GPIO控制按键和LED，此外还引出了调试串口。

其中，通过CH438芯片扩展出了8个串口，通过这些串口连接了WiFi/RJ-45二合一模块、4G模块、通过串口转485芯片连接外部的485设备以及串口转CAN芯片连接外部的CAN设备。

具体的，RISC-V处理器采用勘智K210芯片，它是一款强大的64位双核、带AI算法的处理器。

如附图2所示，本申请使用SiPEED封装一个模组，型号是SiPEED M1，内置了K210芯片、16MFLASH芯片以及电源芯片组。它所有的IO口均已引出。VDD50为模组的电源输入，模组内置LDO，可产生多组电源，1V8、3V3内置LDO产生的，可以驱动比较小的负载。BANK6、BANK7、LCD、DVP使用的是1.8V电源，BANK0、BANK1、BANK2、BANK3、BANK4、BANK5使用的是3.3V电源；在连接外设时需要注意电平标准。

如图3所示，开关电源生成电路示意图，物联网终端的开关电源芯片具有输入引脚和输出引脚，输入引脚和外接12V电源接口连接，输出引脚和RISC-V处理器的电源输入端引脚连接，实现从12V转换成3.3V和5V功能，为RISC-V处理器供电。

本实施例的开关电源芯片为MP1584，图中12V由外接12V电源提供，由MP1584的IN引脚接入，通过SW、FB引脚输出，经由电感L1、L2和电阻R18、R33、R24转换，电容C8、C9和C44、C45实现滤波功能，以确保电源信号纹波正常；分别输出VDD33和VDD50，输入到RISC-V处理器相应引脚。

如图4所示的WiFi/RJ-45二合一模块电路示意图，WiFi/RJ-45二合一模块外接RJ45接口，本实施例中WiFi/RJ-45二合一模块采用HF-A21芯片，与RISC-V处理器通过串口连接，默认波特率为57600BPS。WIFI_RST信号线用于复位HF-A21芯片，拉低该信号线300MS以上即可实现，正常工作时需置高电平。LED_WIFI是指示灯信号输出，用来指示模块的网络连接状态的。

该模块有两个工作模式：指令模式与透传模式。其中，指令模式是指RISC-V处理器发送指令，HF-A21回应指令，包括交互数据；透传模式是指RISC-V处理器发送数据，HF-A21向外传输，以及网络连接建立后后台向HF-A21传输数据时主动向RISC-V处理器回传。本实施例的正常使用中，透传模式是数据收发时工作模式，命令模式用于设置网络参数。

如图5所示的4G通信模块电路示意图，4G通信模组芯片采用Quectel_EC200T芯片，与RISC-V处理器通过串口连接，默认波特率为115200BPS。4G_PWRKEY引脚与RISC-V处理器连接，用于控制4G通信模组开机，使用时需要拉高至少500MS。4G_STATUS引脚与RISC-V处理器连接，用于4G通信状态指示，工作时需要设置成上拉输入状态。本实施例中，4G通信模组启动后，RISC-V处理器通过AT指令和4G通信模组交互，用于SOCKET连接和数据收发功能。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。若终端通信的数据量比较小，可以选用NB-IoT模块；该模块设计成与4G模块共用一个接口，以两个双排针进行连接，同一时刻只能有一个模块在使用。NB-IoT模块选用的型号为Quectel_BC28，其串口的默认通信速率是9600bps，模块上电会自动启动，如果要复位需要给复位引脚一个至少100ms的高电平脉冲。模块的状态通过AT指令来查询的，没有通过硬件信号线来判断。

本申请不使用透传模式，而是使用AT指令来收发数据，NB模块收到数据后会放在缓存里，通过串口通知收到数据等待终端来读取，发送数据直接通过AT指令发送即可。该模已经内置电子SIM卡芯片，即直接焊在电路板上，需要注意开通并关注其话费余额及时续费。

如图6所示的CH438扩展串口芯片电路示意图，扩展串口芯片采用CH438Q芯片，通过CH438_D0、CH438_D1、CH438_D2、CH438_D3、CH438_D4、CH438_D5、CH438_D6、CH438_D7引脚和RISC-V处理器连接，实现8位数据线/地址线。CH438_nCS为其片选信号引脚，CH438_nRD为其读指令信号引脚，CH438_nWR为其写指令信号引脚，CH438_ALE为其地址锁存指令引脚，CH438_INT为其中断信号引脚，均与RISC-V处理器连接。

本实施例中，扩展串口芯片提供8路扩展串口，分别为EXTU0、EXTU1、EXTU2、EXTU3、EXTU4、EXTU5、EXTU6、EXTU7，其中一路与485接口连接，另外五路用于连接通讯模块，分别连接ZIGBEE、CAN、4G模块、WIFI/Ethernet二合一模块、蓝牙模块，剩下的CH438扩展出的串口用于连接传感器、PLC等外设模块。

如图7所示的触摸屏电路示意图，本申请物联网终端电路中的2.4寸TFT LCD触摸屏芯片,分辨率为320*240，采用XPT2046驱动芯片，为4线电阻屏。XPT2046实时监测电阻屏触摸的触控信号，监测到有点按信号时，通过IRQ_T_PEN引脚通知RISC-V处理器，RISC-V处理器通过SPI接口下发AD信号采样指令，并读取过来AD信号采样数据，RISC-V处理器根据读取的X/Y两个方向AD信号采样值判断触点位置，在读取到X/Y通道的AD值后，应用程序可根据此X/Y两极的极值以及该点读到的当前值计算出当前屏幕上的相对位置，做后续显示处理。SPI3_SCK为SPI接口时钟信号引脚，SPI3_MISO为SPI接口主设备输入从设备输出信号引脚，SPI3_MOSI为SPI接口主设备输出从设备输入信号引脚，T_nCS是SPI接口片选信号引脚，IRQ_T_PEN是触摸屏中断信号引脚，中断输入下降沿触发，以上引脚均与RISC-V处理器连接。

如图8所示的LORA通信模块示意图，LORA通信模组采用SX1278芯片，是一款高性能、低功耗、远距离的微功率射频前端数据收发模块。LORA与RISC-V处理器通过标准的SPI接口相连，其中LORA_MISO和LORA_MOSI分别为LORA的数据输出和输入接口，LORA_SCK为RISC-V主设备产生的时钟信号，LORA_nCS为片选信号，LORA_nRST为重置信号。

如图9所示的CH376文件管理模块示意图，文件管理模组即采用了CH376芯片，用于扩展连接USB和SD卡。CH376芯片SPI#引脚连接低电平选择SPI接口，高电平选择异步串口，这里SPI#引脚接VDD33，故与RISC-V处理器间通过UART异步串口通信；CH376的通讯波特率由SDI、SCK两个引脚的电平决定，这里SDI接VDD33高电平，SCK接地，故通讯波特率为115200bps。

如图10所示的直流电源计量模块电路示意图，直流计量模块对终端输入的12V直流电源进行精准测量。该模块通过CH438的扩展串口2连接RISC-V处理器，通讯速率是9600bps，通讯方式为应答式通讯，RISC-V处理器发送查询指令，模块即回传计量数据。

本领域内的技术人员应明白，本实用新型使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本实用新型可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种多通信模组及多外设接入的物联网终端，其特征在于，包括RISC-V处理器，所述RISC-V处理器通过串口连接CH376芯片模块，所述RISC-V处理器通过并行接口连接CH438芯片模块；

所述CH376芯片模块设置有多个接口；所述CH438芯片模块设置有多个串行接口。

2.根据权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述CH376芯片模块设置有USB接口以及SD卡接口。

3.根据权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述CH438芯片模块设置有八个串行接口。

4.根据权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述多个串行接口连接WiFi/RJ-45二合一模块、4G/5G模块、485设备和/或CAN设备。

5.根据权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述RISC-V处理器还通过SPI接口连接触摸屏和/或LoRa模块。

6.根据权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述RISC-V处理器还设置有调试串口以及按键接口。

7.根据权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述RISC-V处理器采用SiPEED M1型号的封装模组，所述封装模组内置K210芯片、16MFLASH芯片以及电源芯片组。

8.根据权利要求7所述的物联网终端，其特征在于，所述K210芯片采用64位双核的处理器。

9.根据权利要求4所述的物联网终端，其特征在于，所述WiFi/RJ-45二合一模块采用HF-A21芯片，所述4G模块采用Quectel_EC200T芯片。

10.根据权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述RISC-V处理器通过所述CH438芯片的串行接口连接直流计量模块，所述直流计量模块用于对输入电源进行测量。