基于IP1810 的礦用千兆光端機(jī)設(shè)計(jì)

姚超修

（天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

目前煤礦信息傳輸網(wǎng)絡(luò)多以光纖、信號(hào)線纜等有線傳輸為主，WIFI、4G 等無線傳輸網(wǎng)絡(luò)為輔[1]。礦用光端機(jī)是煤礦信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較多的信息傳輸設(shè)備，為礦井監(jiān)測監(jiān)控分站、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、執(zhí)行器等終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸、交換通道。光端機(jī)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(jī)組成信息傳輸專用網(wǎng)絡(luò)直接將數(shù)據(jù)上傳。一般井下光端機(jī)設(shè)備傳輸帶寬為百兆，隨著井下接入系統(tǒng)及設(shè)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(shè)計(jì)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(jī)，滿足井下多業(yè)務(wù)、高帶寬信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

1 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)光端機(jī)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(yùn)行必須的電源、時(shí)鐘、復(fù)位等模塊構(gòu)成。IP1810 為10 口交換機(jī)芯片，芯片內(nèi)置8個(gè)10/100Mbps 以 太 網(wǎng) 口、2 個(gè)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(jìn)行通信，同時(shí)內(nèi)置并行轉(zhuǎn)換器，可直接連接到光纖收發(fā)模塊。設(shè)計(jì)光端機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光端機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 IP1810 交換機(jī)芯片

本文設(shè)計(jì)光端機(jī)以IP1810 交換芯片為核心，從該芯片擴(kuò)展出2 個(gè)10/100/1000Mbps RGMII 接口和8 個(gè)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(dú)立VLAN 學(xué)習(xí)和共享VLAN 學(xué)習(xí)。

（3）為滿足各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，芯片支持風(fēng)暴控制、帶寬速率控制、輸出隊(duì)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(shè)備的接入，光端機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)芯片上FXSD 引腳為光信號(hào)檢測接口，若將該信號(hào)接口接地，則對應(yīng)接口為電口，若將該接口連接光模塊的光信號(hào)接口，則對應(yīng)接口為光口。本文設(shè)計(jì)將FXSD7 和FXSD8 接到光模塊相應(yīng)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(jī)芯片進(jìn)行通信。AR8033應(yīng)用原理圖如下圖2 所示。

圖2 AR8033 應(yīng)用原理圖

RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是GMII 的簡化版本，將接口信號(hào)線由24 個(gè)減少為12 個(gè)，TXD 和RXD 需利用4 條數(shù)據(jù)線，外加其他時(shí)鐘、沖突檢測、載波監(jiān)聽等信號(hào)線。IP1810 芯片上Port9 和Port10 口為RGMII 信號(hào)接口，其中Port9 口信號(hào)對應(yīng)引腳為P84～P95，Port10 口信號(hào)對應(yīng)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(jìn)行配置及管理。

AR8033 芯 片P27～P28、P30～P39 引 腳 為RGMII 接口，與交換機(jī)芯片相應(yīng)引腳連接。P42、P43、P45～P46 為差分信號(hào)的發(fā)送和接收，其速率為1.25Gbps，直接連接SFP 光模塊的對應(yīng)引腳。ARP8033 的收發(fā)信號(hào)可直接與光模塊相連，即直流耦合方式。但本設(shè)計(jì)中在信號(hào)線上加入了0.1μF電容，采用了交流耦合的方式，可濾除信號(hào)線上的大部分噪聲，增加了信號(hào)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(jī)的千兆光口吞吐量進(jìn)行了測試。圖中光端機(jī)的P9 和P10 千兆光口分別連接千兆交換機(jī)的千兆光口，千兆交換機(jī)的千兆電口連接計(jì)算機(jī)千兆網(wǎng)卡，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)吞吐量測試軟件Ixia Chariot 進(jìn)行吞吐量的測試。

圖3 光端機(jī)帶寬測試連接圖

圖4 光端機(jī)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(dá)到了千兆的傳輸速率。

3 結(jié)語

分析了礦用光端機(jī)在礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)湮恢茫榻B了一種礦用高帶寬千兆光端機(jī)的設(shè)計(jì)方法，光端機(jī)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(shí)際測試結(jié)果表明，在全雙工模式下，光端機(jī)的千兆光口吞吐量測試達(dá)到了1300Mbps，具有良好的應(yīng)用效果。