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        基于IP1810 的礦用千兆光端機設計

        2020-07-07 06:07:52姚超修
        山東煤炭科技 2020年6期
        關(guān)鍵詞:百兆光端機吞吐量

        姚超修

        (天地(常州)自動化股份有限公司,江蘇 常州 213015)

        目前煤礦信息傳輸網(wǎng)絡多以光纖、信號線纜等有線傳輸為主,WIFI、4G 等無線傳輸網(wǎng)絡為輔[1]。礦用光端機是煤礦信息傳輸網(wǎng)絡中應用較多的信息傳輸設備,為礦井監(jiān)測監(jiān)控分站、網(wǎng)絡攝像頭、執(zhí)行器等終端設備提供數(shù)據(jù)傳輸、交換通道。光端機的上傳接口可接入礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),或者利用光端機組成信息傳輸專用網(wǎng)絡直接將數(shù)據(jù)上傳。一般井下光端機設備傳輸帶寬為百兆,隨著井下接入系統(tǒng)及設備的增加,特別是視頻流量的增多,百兆帶寬使用接近飽和[2-3]。鑒于此,本文設計了一種傳輸帶寬高、接口數(shù)量多、接口種類豐富的千兆光端機,滿足井下多業(yè)務、高帶寬信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

        1 硬件設計實現(xiàn)

        本文設計光端機主要由IP1810 核心芯片、AR8033 千兆以太網(wǎng)PHY 模塊、總線接口轉(zhuǎn)換模塊以及系統(tǒng)運行必須的電源、時鐘、復位等模塊構(gòu)成。IP1810 為10 口交換機芯片,芯片內(nèi)置8個10/100Mbps 以 太 網(wǎng) 口、2 個10/100/1000Mbps RGMII 口。AR8033 為千兆以太網(wǎng)PHY 芯片,采用RGMII 接口與MAC 芯片進行通信,同時內(nèi)置并行轉(zhuǎn)換器,可直接連接到光纖收發(fā)模塊。設計光端機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 光端機硬件結(jié)構(gòu)

        1.1 IP1810 交換機芯片

        本文設計光端機以IP1810 交換芯片為核心,從該芯片擴展出2 個10/100/1000Mbps RGMII 接口和8 個百兆以太網(wǎng)口[4]。其主要功能為:

        (1)芯片內(nèi)部嵌入4Mb SRAM,用于數(shù)據(jù)包緩沖,提供了多種2 線接口,例如CPU 接口、EEPROM 接口和SMI 接口,允許用戶通過以上接口訪問芯片內(nèi)控制寄存器、EEPROM 數(shù)據(jù)以及外部PHY 的寄存器。

        (2) 具 有 用 于802.1Q VLAN 的4k 條 目,為VLAN 成員提供了更高的安全性,并支持獨立VLAN 學習和共享VLAN 學習。

        (3)為滿足各種網(wǎng)絡應用,芯片支持風暴控制、帶寬速率控制、輸出隊列功能等。

        IP1810 交換芯片共輸出10 路以太網(wǎng)接口,其中P1~P6 口輸出為以太網(wǎng)電口。為了方便煤礦現(xiàn)場RS485 或CAN 總線設備的接入,光端機提供了4 路RS485 或CAN 總線接口,通過P1~P1 口經(jīng)RS485/CAN 聯(lián)網(wǎng)模塊轉(zhuǎn)換而來。P7~P8 口輸出標準的百兆以太網(wǎng)光口,Port9 和Port10 口通過AR8033芯片轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過千兆光模塊輸出千兆以太網(wǎng)光口。交換機芯片上FXSD 引腳為光信號檢測接口,若將該信號接口接地,則對應接口為電口,若將該接口連接光模塊的光信號接口,則對應接口為光口。本文設計將FXSD7 和FXSD8 接到光模塊相應接口,控制P7、P8 輸出為100Mbps 光口。

        1.2 AR8033 千兆以太網(wǎng)PHY 芯片

        AR8033 是Atheros 公 司 的 第4 代10/100/1000Mbps 速率以太網(wǎng)PHY 芯片[5],該芯片采用RGMII 協(xié)議與交換機芯片進行通信。AR8033應用原理圖如下圖2 所示。

        圖2 AR8033 應用原理圖

        RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)是GMII 的簡化版本,將接口信號線由24 個減少為12 個,TXD 和RXD 需利用4 條數(shù)據(jù)線,外加其他時鐘、沖突檢測、載波監(jiān)聽等信號線。IP1810 芯片上Port9 和Port10 口為RGMII 信號接口,其中Port9 口信號對應引腳為P84~P95,Port10 口信號對應引腳為P114~P119、P122~P127,另外還有P100 和P101 引腳為MDIO 和MDC 串行管理總線接口,可對PHY 芯片進行配置及管理。

        AR8033 芯 片P27~P28、P30~P39 引 腳 為RGMII 接口,與交換機芯片相應引腳連接。P42、P43、P45~P46 為差分信號的發(fā)送和接收,其速率為1.25Gbps,直接連接SFP 光模塊的對應引腳。ARP8033 的收發(fā)信號可直接與光模塊相連,即直流耦合方式。但本設計中在信號線上加入了0.1μF電容,采用了交流耦合的方式,可濾除信號線上的大部分噪聲,增加了信號接口的EMC 性能[6]。

        2 千兆光口吞吐量測試

        按圖3 所示連接,對光端機的千兆光口吞吐量進行了測試。圖中光端機的P9 和P10 千兆光口分別連接千兆交換機的千兆光口,千兆交換機的千兆電口連接計算機千兆網(wǎng)卡,兩臺計算機上分別運行網(wǎng)絡吞吐量測試軟件Ixia Chariot 進行吞吐量的測試。

        圖3 光端機帶寬測試連接圖

        圖4 光端機吞吐量測試結(jié)果

        測試結(jié)果如圖4,圖中數(shù)據(jù)上行和下行的吞吐量均為700Mbps 左右,總吞吐量為1300 Mbps 左右,達到了千兆的傳輸速率。

        3 結(jié)語

        分析了礦用光端機在礦井傳輸網(wǎng)絡中的拓撲位置,介紹了一種礦用高帶寬千兆光端機的設計方法,光端機中的數(shù)據(jù)交換核心為IP1810 芯片,輸出2 路千兆光口、2 路百兆光口、2 路百兆電口及轉(zhuǎn)換出4路總線接口。實際測試結(jié)果表明,在全雙工模式下,光端機的千兆光口吞吐量測試達到了1300Mbps,具有良好的應用效果。

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