基于IP1810的矿用千兆光端机设计.pdf

2042020 年第 6 期 收稿日期 2019-12-16 基金项目 天地（常州）自动化股份有限公司科研项目2019GY105 作者简介 姚超修（1988-），山东潍坊人，工程师，毕业于山东 科技大学，硕士，现主要从事矿井传输类产品的设计及研发工作。 基于 IP1810 的矿用千兆光端机设计 姚超修 （天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015） 摘 要 基于矿井信息传输高带宽的需求，设计了一种矿用千兆光端机，详细介绍了该光端机的设计方法，光端机输出 2 个千兆以太网光口。实际测试结果表明，在全双工模式下，光端机千兆光口数据吞吐量可达 1300Mbps，具有良好的应 用效果。 关键词 千兆光端机 IP1810 千兆光口吞吐量 中图分类号 TD655 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.073 Design of Mine Gigabit Optical Machine Based on IP1810 Yao Chao-xiu （Tiandi Changzhou Automation Co., Ltd., Jiangsu Changzhou 213015） Abstract Based on the demand of high bandwidth of mine ination transmission, a mine gigabit optical terminal machine is designed, and the design of the optical terminal machine is introduced in detail, and the optical terminal machine outputs 2 gigabit ethernet optical ports. Actual test results show that in full duplex mode, the data throughput of gigabit optical port of optical terminal can reach 1300 Mbps, which has a good application effect. Key words gigabit optical terminal machine IP1810 gigabit optical port throughput 目前煤矿信息传输网络多以光纤、信号线缆等 有线传输为主，WIFI、4G 等无线传输网络为辅 [1]。 矿用光端机是煤矿信息传输网络中应用较多的信息 传输设备，为矿井监测监控分站、网络摄像头、执 行器等终端设备提供数据传输、交换通道。光端机 的上传接口可接入矿井工业以太环网，或者利用光 端机组成信息传输专用网络直接将数据上传。一般 井下光端机设备传输带宽为百兆，随着井下接入系 统及设备的增加，特别是视频流量的增多，百兆带 宽使用接近饱和 [2-3]。鉴于此，本文设计了一种传输 带宽高、接口数量多、接口种类丰富的千兆光端机， 满足井下多业务、高带宽信息传输的需求。 1 硬件设计实现 本文设计光端机主要由 IP1810 核心芯片、 AR8033 千兆以太网 PHY 模块、总线接口转换模 块以及系统运行必须的电源、时钟、复位等模块 构成。IP1810 为 10 口交换机芯片，芯片内置 8 个 10/100Mbps 以 太 网 口、2 个 10/100/1000Mbps RGMII 口。AR8033 为千兆以太网 PHY 芯片，采用 RGMII 接口与 MAC 芯片进行通信，同时内置并行 转换器，可直接连接到光纤收发模块。设计光端机 系统结构如图 1 所示。 图 1 光端机硬件结构 1.1 IP1810 交换机芯片 本文设计光端机以 IP1810 交换芯片为核心，从 该芯片扩展出 2 个 10/100/1000Mbps RGMII 接口和 8 个百兆以太网口 [4]。其主要功能为 （1）芯片内部嵌入 4Mb SRAM，用于数据 包缓冲，提供了多种 2 线接口，例如 CPU 接口、 EEPROM 接口和 SMI 接口，允许用户通过以上接 2052020 年第 6 期 口访问芯片内控制寄存器、EEPROM 数据以及外部 PHY 的寄存器。 （2） 具 有 用 于 802.1Q VLAN 的 4k 条 目， 为 VLAN 成员提供了更高的安全性，并支持独立 VLAN 学习和共享 VLAN 学习。 （3） 为满足各种网络应用， 芯片支持风暴控制、 带宽速率控制、输出队列功能等。 IP1810 交换芯片共输出 10 路以太网接口，其 中 P1P6 口输出为以太网电口。为了方便煤矿现 场 RS485 或 CAN 总线设备的接入，光端机提供 了 4 路 RS485 或 CAN 总线接口，通过 P1P1 口经 RS485/CAN 联网模块转换而来。P7P8 口输出标准 的百兆以太网光口，Port9 和 Port10 口通过 AR8033 芯片转换后，经过千兆光模块输出千兆以太网光口。 交换机芯片上 FXSD 引脚为光信号检测接口，若将 该信号接口接地，则对应接口为电口，若将该接口 连接光模块的光信号接口，则对应接口为光口。本 文设计将 FXSD7 和 FXSD8 接到光模块相应接口， 控制 P7、P8 输出为 100Mbps 光口。 1.2 AR8033 千兆以太网 PHY 芯片 AR8033 是 Atheros 公司的第 4 代 10/100/1000Mbps 速率以太网 PHY 芯片 [5]，该芯片 采用 RGMII 协议与交换机芯片进行通信。AR8033 应用原理图如下图 2 所示。 图 2 AR8033 应用原理图 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是 GMII 的简化版本，将接口信号线由 24 个减少为 12 个，TXD 和 RXD 需利用 4 条数据 线，外加其他时钟、冲突检测、载波监听等信号线。 IP1810芯片上Port9和Port10口为RGMII信号接口， 其中 Port9 口信号对应引脚为 P84P95，Port10 口 信号对应引脚为 P114P119、P122P127，另外还 有 P100 和 P101 引脚为 MDIO 和 MDC 串行管理总 线接口，可对 PHY 芯片进行配置及管理。 AR8033 芯 片 P27P28、P30P39 引 脚 为 RGMII 接口，与交换机芯片相应引脚连接。P42、 P43、P45P46 为差分信号的发送和接收，其速率 为 1.25Gbps，直接连接 SFP 光模块的对应引脚。 ARP8033 的收发信号可直接与光模块相连，即直流 耦合方式。但本设计中在信号线上加入了 0.1μF 电 容，采用了交流耦合的方式，可滤除信号线上的大 部分噪声，增加了信号接口的 EMC 性能 [6]。 2 千兆光口吞吐量测试 按图 3 所示连接，对光端机的千兆光口吞吐量 进行了测试。图中光端机的 P9 和 P10 千兆光口分别 连接千兆交换机的千兆光口，千兆交换机的千兆电 口连接计算机千兆网卡，两台计算机上分别运行网 络吞吐量测试软件 Ixia Chariot 进行吞吐量的测试。 图 3 光端机带宽测试连接图 图 4 光端机吞吐量测试结果 测试结果如图 4，图中数据上行和下行的吞吐 量均为700Mbps左右， 总吞吐量为1300 Mbps左右， 达到了千兆的传输速率。 3 结语 分析了矿用光端机在矿井传输网络中的拓扑位 置，介绍了一种矿用高带宽千兆光端机的设计方法， 光端机中的数据交换核心为 IP1810 芯片，输出 2 路 千兆光口、2 路百兆光口、2 路百兆电口及转换出 4 路总线接口。实际测试结果表明，在全双工模式下， 光端机的千兆光口吞吐量测试达到了 1300Mbps， 具有良好的应用效果。 【参考文献】 ［1］ 赵小虎，张凯，赵志凯，等 . 矿山物联网网络技 术发展趋势与关键技术 [J]. 工矿自动化，2018 （04）1-7. ［2］ 阙建立 . 智能矿山平台建设与实现 [J]. 工矿自动 化，2018（04）90-94. ［3］ 李小四，马建民，王莹莹 . 智慧矿山建设的演进 及发展趋势 [J]. 工矿自动化，2019（09）65-69. ［4］ IC PLUS Corp.IP1810 Datasheet[EB/OL].2019- 02-21[2019-11-15]..tw/ products/24. （下转第 212 页） 2122020 年第 6 期 入到实际应用中，该年内部资料、科研成果、公共 资料等分别为 6870 条、807 条、604 条等，不仅减 少了纸张的使用量，节约了资源与经营的成本，而 且还提升了信息技术的创新水平。 图 5 优化后的顺槽巷道支护断面图 5 结论 （1）基于 15 号煤层顶板灰岩原始应力和构造 应力均较少，且顶板 K2 灰岩稳定完整，属于坚硬 易管理顶板，优化锚杆间排距是科学、合理的。 （2）原有支护方案下巷道矿压显现严重，针 对性地对原有支护方案进行了优化设计，得到了优 化后的支护方案。 （3）数值模拟了支护优化前后巷道围岩的变 形破坏特征，验证了优化后的支护方案效果显著， 并且降低了单位长度巷道的支护材料成本。 （a）原支护方案 （b）优化后支护方案 图 6 数值模拟结果 【参考书目】 ［1］ 梅星．综放大断面沿空煤巷围岩稳定性及不对称 支护 [D]. 北京中国矿业大学 北京 ，2016． ［2］ 刘畅，杨增强，弓培林，等 . 工作面过空巷基本 顶超前破断压架机理及控制技术研究 [J]. 煤炭学 报，2017，42（08）1932-1940. ［3］ 我国煤巷锚杆支护技术新进展 [J]. 岩石力学与工 程学报，2002，21（z1）1986-1990. ［4］ 于先富，阎石 . 回采巷道锚杆支护设计 [J]. 煤炭 技术，2008（02）48-50. ［5］ 张召千 . 锚杆支护动态设计方法信息法 [J]. 太 原理工大学学报，2003（01）63-65. ［5］ Qualcomm Atheros,Inc.AR8033 Integrated 10/100/1000 Mbps Ethernet Transceiver Datasheet[EB/OL].2012-10-25 [2019-11-15]. XeklX0WzR.html. ［6］ 赵小兵 . 矿用千兆以太网交换机的设计与研制 [J]. 煤矿机电，2014（01）26-29. （上接第 205 页） （上接第 208 页）