Raspberry pi CM4の格納ケースに冷却ファンとNVMe M.2 SSD取り付け用の穴加工とI2C延長モジュールの実装

Raspberry Pi Compute Module 4(以下CM4)をセットしたIOボードにゴム足を付けて基板むき出しで使っていたのですがケーブルの収まりが悪いので「CM4 IO スマートケース」を購入してプチ改造した際のメモです。
CM4は、Raspberry Pi 4 Model B(以下4B)の産業・組み込み用途向けモデル。セットアップ方法は多少異なるものの、OSやGPIOは互換性があるので同じアプリケーションや各種センサモジュールが動作します。

天板に穴あけ後の CM4 IOスマートケース
天板に穴あけ後の CM4 IOスマートケース(ゴム足は交換しています)
目次

CM4 IOスマートケース

CM4にはIOコネクタの実装がないので、CM4専用のRaspberry Pi Compute Module 4 IO Board(以下、IOボード)とセットで使っています。IOボードには、4BのUSB3.0コネクタの代わりにPCIeスロット、RTCとバックアップ用の電池ホルダ(CR2031)が追加されています。

購入したCM4はeMMC内蔵(のためスロットは付いていてもmicroSDカードは使えない)タイプなので、セットアップ方法は多少異なるものの4Bと同じOSをeMMCもしくは PCIeスロットに挿したNVMe M.2 SSD カードからブートできます。

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金属加工された「CM4 IO スマートケース」は、IOボードの各種インターフェース用のケーブル差し込み口が精度良く加工されています。購入時から判っていたことですが、コンパクトで取り回しやすい反面、PCIeスロットやGPIOを使うには狭いです。ケースを開けることなくNVMe M.2 SSDの交換やケース外で各種センサ類をI2C接続できるようにプチ改造しました。

購入したCM4にはWi-Fi/Bluetoothが無いタイプなので外付けアンテナは取り外しています。ケース前面に緑色の押しボタンスイッチがついているので、早速設定しました。
  

電源SW(押しボタンスイッチ)でシャットダウンと起動を行う設定

4BやCM4にはデフォルトで、
 ・稼働中にGPIO3(ピン番号 5)とGNDが短絡したときにシャットダウン(低電力モードで動作)
 ・シャットダウン状態で GPIO3 と GND を短絡すると起動
を1つのスイッチで実現できます。

この設定は物理的に電源遮断するものではないので、電源を立ち上げ直す必要がある時は電源コネクタを挿し直す(電源スイッチをON/OFFする)必要があります。

nanoでconfig.txtファイルを編集して、シャットダウンの設定を追加します。

sudo nano /boot/config.txt

少し触ったりしても電源が落ちないように、2秒長押しでシャットダウンするようにdebounce=2000(デフォルトは100)を追加しました。

dtoverlay=gpio-shutdown,gpio_pin=3,debounce=2000

config.txtに上書き保存した後、設定反映するためにシャットダウンします。この後は、ボタンスイッチを押すことで起動とシャットダウンができます。
詳細は、インストールしたRaspberry Pi OSの/boot/overlays/READMEを「gpio-shutdown」で検索するとヒットします。

起動はGPIO3に割り当てられた機能です。GPIO3はI2C 用のピンを兼ねているのでI2Cを利用している場合は、新たにi2c-gpio( ソフトウエアI2C)としてGPIO 5 と GPIO 6 などを割り当てる設定が必要です。

CPU冷却ファンの制御設定

付属する常時回転のケースファンを取り外して、GPIOにつないで温度制御ができるヒートシンクと一体型のPWM制御CPU冷却ファンを実装しました。

ファン温度は、Raspberry Pi OSのメニューの「設定」–>「Raspberry Pi の設定」–>「パフォーマンス」で行います。デフォルト設定は 80度です。

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CPU冷却ファン吸気口とNVMe M.2 SSD取り付け用の穴加工

ケース内にCM4+IOボードを組み込むとCPU冷却ファンがふさがるので、電気ドリルとミニホールソーを使って、天板に37φの吸気口を開けました。
ファンに触れないように天板にFANガードをゴムプッシュを挟んで固定します。

ケース外からNVMe M.2 SSDを挿せるようにPCIeスロット真上に28φの開口を開けています。
T字型のPCIeアダプターカードはケースに干渉するので、I型のPCIeアダプターカードを使います。

ケース天板に開けた2つの開口部
ケース天板に開けた2つの開口部。ケースに挿しているNVMe M.2 SSDはtype2280、手前はtype2230(キオクシア、128GB)

購入したCM4はeMMC内蔵なので外部デバイス無しでもOS起動できますが、高速かつOSセットアップ済のNVMe M.2 SSD基板を差し替えて異なるOSを直ぐにbootできるPCIeスロットの使い勝手は手放せません。

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i2c-gpio (ソフトウエアI2C)の割り当て、I2Cをケース外に10m延長

i2c-gpio (ソフトウエアI2C)の割り当て

GPIO3を電源起動に使うので、新たにi2c-gpio( GPIO 5 と GPIO 6 )を割り当てる設定を行います。

SoC内蔵のI2Cを無効化
/boot/config.txt中にある「 dtparam=i2c_arm=on 」を #でコメントアウトします。

#dtparam=i2c_arm=on

  

i2c-gpio( GPIO5 と GPIO6 )を割り当てる設定
boot/config.txtに下記を追加して保存します。 CM4を再起動すると指定したピン( GPIO 5 と GPIO 6 )が i2c-gpio (バス番号 3)になります。

dtoverlay=i2c-gpio,bus=3,i2c_gpio_sda=5,i2c_gpio_scl=6,i2c_gpio_delay_us=2

  

SoC内蔵の I2Cはプルアップ抵抗が実装されていますが、i2c-gpioの場合は外付けのプルアップ抵抗が必要です。マスタ側、スレーブ側ともにLTC4331モジュール基板上のランドパターンをショートしてプルアップ抵抗(10KΩ)を有効化します。

呼称SDAの割当て
GPIO名称
(ピン番号)
SCLの割当て
GPIO名称
(ピン番号)
備考
1SoC内蔵の I2C
(ハードウエア I2C)
GPIO2
(3 番ピン)
GPIO3
(5 番ピン)
GPIO2と3はプルアップ抵抗内蔵
2i2c-gpioドライバ
(ソフトウエアI2C)
GPIO5
(29 番ピン)
GPIO6
( 30番ピン)
外付けのプルアップ抵抗が必要
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ケース外へのI2C+電源の延長

ケースにCM4+IOボードを内蔵するとGPIOへの各種センサモジュールの接続が面倒です。しかし、I2Cは基板やケース内の近距離用のインターフェースなので遠くには引き出せません。
ケース外でも安定して使うために、LTC4331モジュール(マスタ、スレーブ用の 2個セット)を使ってI2Cを延長しました。マスタ側をGPIOに接続し、外部への配線引き回しにはLANケーブルを使います(LAN用のハブは使えません)。

LTC4331モジュールのマスタ側とスレーブ側をつなぐLANケーブルは、 通信用には4番線と5番線しか使いませんが、スレーブ側のLTC4331モジュールと接続する I2Cモジュールに給電するために1番線に3.3V、2番線にGNDを追加で割り当てました。

LANケーブルは、ケース背面の取り外した無線LAN用アンテナ取付穴にグロメット(ゴム)で養生して引き込んでいます。

今回使ったLANケーブルはストレートケーブル(B配線)だったので、利用する 1(3.3V、白/橙)、2(GND、橙)、4(通信、青)、5(通信、白/青)をLTC4331モジュールのLANコネクタのランドパターンに直接はんだ付けしました(*LANケーブルのワイヤ色は異なる場合もあります)。

i2c-gpioに割り当てたGPIO5 、GPIO6、3.3VとGNGピンからくるジャンパーワイヤをLTC4331モジュール基板裏面の該当端子にはんだ付けします。

GPIOの接続図
GPIOの接続図。
GPIO and the 40-pin Header | raspberrypi.orgより引用して追記
LTC4331モジュールのマスタ側はGPIO横に裏返して取り付け、スレーブ側はLANケーブルでケース外に配置
LTC4331モジュールのマスタ側はGPIO横に裏返して取り付け、スレーブ側はLANケーブルでケース外に配置

現在10mのLANケーブルを使っています。LANケーブルの先には、スレーブ設定したLTC4331モジュールを介して、I2Cデバイスに4線(SDL、SCL、3.3V、GND)を供給します。

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LXTerminalで下記コマンドを投入すると、i2c-3(バス番号3)にBME280のアドレス(0x76)が見えます。

ls /dev/i2c*
i2cdetect -l
i2cdetect -y 3
スレーブ側に接続したBME280センサ
スレーブ側に接続したBME280センサ
I2Cバスにつながったデバイスの確認
I2Cバスにつながったデバイスの確認

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