CN112866836B - 基于vpx架构的信息交换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于VPX架构的信息交换装置。所述信息交换装置中FPGA控制单元分别与VPX连接器耦接，并且FPGA控制单元分别与VPX连接器实施2路高速串行通信；网络交换单元提供16路SGMII接口，网络交换单元的8路SGMII接口耦接VPX连接器，4路SGMII接口耦接光纤交换单元，2路SGMII接口耦接FPGA控制单元、1路SGMII接口耦接调试接口单元；光纤交换单元通过24芯MT光纤耦接VPX连接器的一光电收发模块，以及光纤交换单元与FPGA控制单元耦接，光纤交换单元与FPGA控制单元实施16路AURORA高速串行通信及4路FC‑10G通信；FPGA控制单元通过串行通信单元与系统交互模块耦接，并且FPGA控制单元与系统交互模块实施8路RS422串行通信。本发明的信息交换装置选用VPX总线为高速串行总线，能够提供每个差分对6.25Gb/s的数据传输速率，能够满足舰船光电信号处理系统的总线带宽及传输实时性。

Description

基于VPX架构的信息交换装置
技术领域
本发明涉及光电信号处理领域，具体而言，涉及一种基于VPX架构的信息交换装置。
背景技术
在舰船光电信号处理系统中，目前多采用DSP+FPGA组成的并行处理架构，所述架构造成舰船光电信号处理系统的处理器种类繁多，信息交换实现方式较为复杂。同时，舰船光电信号处理系统中各功能单板之间通过并行总线互连，数据传输速率较低，已经不能满足高帧频、高分辨率的图像处理和多传感器融合所需的高带宽数据传输需求。
发明内容
本发明实施例至少公开一种基于VPX架构的信息交换装置。通过本发明选用VPX总线为高速串行总线，能够提供每个差分对6.25Gb/s的数据传输速率，能够满足舰船光电信号处理系统的总线带宽及传输实时性。
为了实现上述内容，所述信息交换装置包括VPX连接器、FPGA控制单元、网络交换单元、光纤交换单元、串行通信单元、调试接口单元及电源单元；
所述FPGA控制单元分别与所述VPX连接器的四个串行通信模块耦接，并且所述FPGA控制单元分别与所述串行通信模块实施2路4× AURORA高速串行通信；所述网络交换单元提供16路SGMII接口，并且所述网络交换单元的8路SGMII接口耦接所述VPX连接器的一系统交互模块，4路SGMII接口耦接所述光纤交换单元，2路SGMII接口耦接所述 FPGA控制单元、1路SGMII接口耦接所述调试接口单元；所述光纤交换单元通过24芯MT光纤耦接所述VPX连接器的一光电收发模块，以及所述光纤交换单元与所述FPGA控制单元耦接，所述光纤交换单元与所述 FPGA控制单元实施16路AURORA高速串行通信及4路FC-10G通信；所述FPGA控制单元通过所述串行通信单元与所述系统交互模块耦接，并且所述FPGA控制单元与所述系统交互模块实施8路RS422串行通信；所述调试接口单元耦接到以太网接口电路；所述电源单元供能所述FPGA控制单元、所述网络交换单元、所述光纤交换单元、所述串行通信单元及所述调试接口单元。
在本发明公开的一些实施例中，所述信息交换装置包括程式配置及存储单元；所述FPGA控制单元耦接所述程式配置及存储单元，所述程式配置及存储单元提供所述FPGA控制单元配置及存储程式的逻辑空间。
在本发明公开的一些实施例中，所述程式配置及存储单元包括DDR3 电路及FLASH电路；所述DDR3电路与所述FPGA控制单元耦接；所述 FLASH电路与所述FPGA控制单元耦接。
在本发明公开的一些实施例中，所述网络交换单元包括16口千兆交换机芯片JEM5396，JEM5396提供16路SGMII接口。
在本发明公开的一些实施例中，所述光纤交换单元包括第一光模块及第二光模块；所述第一光模块与所述24芯MT光纤中的12路MT光纤耦接，以及所述第一光模块与所述FPGA控制单元耦接，所述第一光模块与所述FPGA控制单元实施4路AURORA高速串行通信及4路FC-10G通信；所述第一光模块与所述网络交换单元的4路SGMII接口耦接；所述第二光模块与所述24芯MT光纤中的12路MT光纤耦接，以及所述第二光模块与所述FPGA控制单元耦接，所述第二光模块与所述FPGA控制单元实施12路AURORA高速串行通信。
在本发明公开的一些实施例中，所述第一光模块及所述第二光模块的选型为12路并行光收发一体光模块HTG8504。
在本发明公开的一些实施例中，所述调试接口单元包括以太网PHY 芯片，所述以太网PHY芯片耦接在所述网络交换单元及所述以太网接口电路之间。
在本发明公开的一些实施例中，所述调试接口单元包括Cameralink接口电路及SFP光模块；所述Cameralink接口电路与所述FPGA控制电路耦接；所述SFP光模块与所述FPGA控制电路耦接。
在本发明公开的一些实施例中，所述以太网PHY芯片选型为 JEM88E1111HV(I)。
在本发明公开的一些实施例中，所述FPGA控制单元包括选型为 JFM7VX690T80的FPGA。
针对上述方案，本发明通过以下参照附图对公开的示例性实施例作详细描述，亦使本发明实施例的其它特征及其优点清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例中信息交互装置的系统图；
图2为实施例中信息交互装置的电路原理图；
图3为实施例中网络交换单元的电路结构图；
图4为实施例中光纤交换单元的电路结构图；
图5为实施例中光纤输入输出接口电路的电路结构图；
图6为实施例中电源单元的电路结构图。
附图标注：1、FPGA控制电路；2、程式配置及存储单元；2.1、DDR3 电路；2.2、FLASH电路；3、网络交换单元；4、光纤交换单元；5、电源单元；6、串行通信单元；7、调试接口单元；7.1、Cameralink接口电路； 7.2、SFP光模块；7.3、以太网PHY芯片。
具体实施方式
现在将详细地参考实施方案，这些实施方案的示例在附图中示出。下面的详细描述中示出许多具体细节，以便提供对各种所描述的实施方案的充分理解。但是，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，各种所描述的实施方案可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他情况下，没有详细地描述众所周知的方法、过程、部件、电路和网络，以免不必要地使实施方案的各方面晦涩难懂。
本实施例公开一种基于VPX架构的信息交换装置。本实施例中信息交换装置选用VPX总线作为高速串行总线，并且能够提供每个差分对 6.25Gb/s的数据传输速率，能够满足舰传光电信号处理系统对总线带宽和传输实时性的要求。
请参考图1，本实施例中信息交换装置包括VPX连接器、FPGA控制单元、程式配置及存储单元2、网络交换单元3、光纤交换单元4、串行通信单元6、调试接口单元7及电源单元5。
本实施例中VPX连接器包括7个模块，分别是1个光电收发模块(P6)、 4个串行通信模块(P2到P5)、1个系统交互模块(P1)及1个公用模块 (P0)。
基于此，本实施例中FPGA控制单元分别与VPX连接器的四个串行通信模块(P2到P5)耦接。
同时，FPGA控制单元耦接程式配置及存储单元2，程式配置及存储单元2提供FPGA控制单元配置及存储程式的逻辑空间。此外，FPGA控制单元分别与每个串行通信模块(P2到P5)实现2路4×AURORA高速串行通信。网络交换单元3提供有16路SGMII接口。网络交换单元3的其中8路SGMII接口耦接VPX连接器的一系统交互模块，另有4路SGMII 接口耦接光纤交换单元4，另有2路SGMII接口耦接FPGA控制单元，另有1路SGMII接口调试接口单元7。光纤交换单元4通过24芯MT光纤耦接光电收发模块P6。光纤交换单元4与FPGA控制单元耦接，光纤交换单元4与FPGA控制单元分别实现12路AURORA高速串行通信、4路 AURORA高速串行通信及4路FC-10G通信。FPGA控制单元通过串行通信单元6与系统交互模块P1耦接。FPGA控制单元与系统交互模块实施8 路RS422串行通信。调试接口单元7耦接到以太网接口电路。电源单元5 供电FPGA控制单元、网络交换单元3、光纤交换单元4、串行通信单元6、程式配置及存储单元2及调试接口单元7。
进一步的，本实施例中程式配置及存储单元2包括DDR3电路2.1及 FLASH电路2.2。DDR3电路2.1与FPGA控制单元耦接。FLASH电路2.2 与FPGA控制单元耦接。
同时，本实施例中光纤交换单元4包括第一光模块及第二光模块。
第一光模块与24芯MT光纤中的12路MT光纤耦接，以及第一光模块与FPGA控制单元耦接，第一光模块与FPGA控制单元实施4路 AURORA高速串行通信及4路FC-10G通信。第一光模块与网络交换单元 3的4路SGMII接口耦接。
第二光模块与24芯MT光纤中的12路MT光纤耦接，以及第二光模块与FPGA控制单元耦接，第二光模块与FPGA控制单元实施12路 AURORA高速串行通信。
再进一步的，本实施例中调试接口单元7包括以太网PHY芯片7.3、 RJ45千兆以太网接口电路、Cameralink接口电路7.1及SFP光模块7.2。以太网PHY芯片7.3耦接在网络交换单元3及以太网接口电路之间。 Cameralink接口电路7.1与FPGA控制电路1耦接；SFP光模块7.2与FPGA 控制电路1耦接。
通过上述技术方案，本实施例信息交换装置通过上述电路单元的配置能够实现技术效果有8路4×AURORA@6.25Gbps链路，实现高速AURORA信号路由及分配功能。8路SGMII千兆以太网链路和4路光纤以太网链路，实现以太网数据路由、分配功能。4路FC光纤链路，16路光纤链路，实现光纤通信功能，可支持FC-AE-ASM协议。8路RS422异步通信串口。1 路Cameralink视频接口，1路光纤输入输出接口和1路RJ45千兆以太网接口等调试接口。
进一步的，图2示出实施例中的信息交互装置为全国产配置。相比现有技术中的舰船光电信号处理系统，能够实现全器件的国产化，有效克服了本实施例中信息交换装置被实施的潜在桎梏。
本实施例中FPGA控制电路1主要实现高速数据采集、协议解析、数据封包及通信等功能。本实施例中FPGA控制电路1考虑信息交换所需高速收发器有56个GTH，那么FPGA控制电路1选型优选为JFM7VX690T80。 JFM7VX690T80为上海复旦微电子集团股份有限公司正向设计，与国外进口产品完全pin-to-pin兼容，其软件功能上能够使用国外常规的设计工具配合同为上海复旦微电子集团股份有限公司的PROCISE产品进行开发。
本实施例中DDR3 SDRAM采用4颗16位4Gb内存颗粒，能够为FPGA 控制电路1提供64bit，4Gb DDR3 SDRAM型号为SM41J256M16M。此外， FLASH电路2.2选择并行NOR FALSH，容量大小为256Mb，能够存储FPGA 控制电路1的加载程式，FLASH选型为上海复旦微电子集团股份有限公司生产的JFM29GL256-E56。
此处，图2中DDR3电路2.1与FPGA的bank34、bank35和bank36耦接，FLASH电路2.2与FPGA的bank14、bank15耦接，网络交换电路与FPGA 的MGTH_214耦接，光纤交换电路与FPGA的MGTH_212、MGTH_213、MGTH_215、 MGTH_216、MGTH_217耦接，串行通信电路与FPGA的bank18、bank19耦接，调试接口电路中Cameralink接口电路7.1与FPGA的bank16耦接、光纤输入输出接口电路与FPGA的MGTH_210耦接。FPGA的MGTH_110、MGTH_111、MGTH_112、MGTH_113、MGTH_114、MGTH_115、MGTH_116、MGTH_117实现8 路4×AURORA高速串行通信。2片FLASH与FPGA的bank14、bank15耦接。
本实施例中网络交换电路主要实现功能单板之间8路千兆以太网数据的交互以及对外的4路千兆以太网数据的交互。对此本实施例中网络交换电路选型为JEM5396。JEM5396包括16路SGMII接口，单端口支持1.25G SGMII，支持SPI或RGMII MDIO配置接口；JEM5396引脚基本兼容国外进口的BCM5396能够实现国产代替，功能兼容、性能相当。本实施例中JEM5396 通过SGMII接口与对端芯片耦接时，需要将对端芯片的接口配置成SGMII 模式。
此处，图3示出网络交换电路的8路SGMII与VPX连接器的P1模块耦接，2路SGMII与FPGA的MGTH_214耦接，4路SGMII与光纤交换电路耦接，1路SGMII与PHY JEM88E1111HV(I)耦接。
本实施例中光纤交换电路主要实现光电和电光转换功能，即将外部光网络信号转换为电信号，或者电信号转换为光信号。本实施例中信息交换装置设计为4路外部光信号采集和输出。因此，本实施例第一光模块及第二管模块均选用2个高性能微型12路并行光收发一体光模块，用于并列多通道光互联数据通信。
具体的，高性能微型12路并行光收发一体光模块选型为中航光电科技股份有限公司的HTG8504-MH-T001SG。HTG8504-MH-T001SG的中心波长为850nm，3.3V供电，单通道传输速率10.3125Gbps，满足工业级温度，并且具备I2C通信监控功能，对外接口为24芯MT接口。
此处，光纤交换电路与FPGA的MGTH_212、MGTH_213、MGTH_215、 MGTH_216、MGTH_217耦接，通过MT接口与VPX连接器的P6模块耦接，4 路SGMII与网络交换电路耦接。在图4中示出光纤交换电路与FPGA的 MGTH_212和MGTH_213耦接的部分，为其中8路光纤交换的实现。
本实施例中信息交换装置配合串行通信单元6主要实现8路4× AURORA高速串行通信和信息交换电路对外的8路RS422串行通信。
其中，8路4×AURORA高速串行通信由FPGA控制单元的32个GTH实现。每个串行通信模块(P2到P5)分别的与FPGA控制单元的8个GTH耦接，实现2路×AURORA高速串行通信，故实现8路×AURORA高速串行通信。
同时，8路RS422串行通信由FPGA控制单元与串行通信单元6配合实现。具体的，串行通信单元6选型为中国电子科技集团公司第五十八研究所的JS2682。JS2682为CSOP16封装，两端隔离电压2500V，最大数据率为16Mbps，ESD大于等于2000V，最大传输延时时间为110ns。那么外部信号经RS422串口电路后由JS2682实施电平转换，再由FPGA控制单元根据RS422的串口协议实现对外部信号的解析；反之，向外部输出外部信号同理，此处不作赘述。
图5示出与VPX连接器串行通信模块P2耦连的FPGA控制单元部分电路，通过MGTH_110和MGTH_111的8个GTH实现2路×AURORA高速串行通信。
本实施例中调试接口单元7的Cameralink接口电路7.1通过FPGA专用的LVDS串并转换模块与FPGA控制电路1耦接，输出4对差分数据及1 对差分时钟，实现标准的Cameralink协议。SFP光模块7.2选型为中航光电的HTS8502-LH-003XX，HTS8502-LH-003XX与FPGA耦接。以太网PHY芯片7.3选型为PHY JEM88E1111HV(I)。RJ45千兆以太网接口电路通过 JEM5396一路SGMII接口及以太网PHY芯片7.3后实现交互千兆以太网数据。
此处，光纤输入输出接口电路为SFP光模块7.2。RJ45千兆以太网接口电路主要是通过以太网交换芯片JEM5396的SGMII接口，经过PHY JEM88E1111HV(I)后，输出千兆以太网数据。
请参考图6，本实施例中电源单元5主要是为前述信息交换电路中的各电路单元供电。本实施例中电源电路选用4片国微电子的SM4644MPY，2 片济南半导体研究所的LYM4630IV和4片国微电子的SM74401RGW，DDR终端调整器选择贵州振华风光的FW51200。SM4644MPY可提供4路，每路4A 的电源输出，输入电压范围4V～14V，输出电压0.6V～5.5V，4路可并联提供最大16A电流输出。LYM4630IV可提供2路，每路18A的电源输出，输入电压范围4.5V～15V，输出电压0.6V～1.8V，2路可并联提供最大36A电流输出。SM74401RGW为一款LDO电压调节器，输出电压0.8V～3.6V，最大输出电流3A。FW51200是一款3A电流输出/吸入的DDR终端稳压调整器。
如本文所使用的，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“用于”应当理解为“至少部分地用于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。本文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述信息交换装置包括VPX连接器、FPGA控制单元、网络交换单元、光纤交换单元、串行通信单元、调试接口单元及电源单元；
所述FPGA控制单元分别与所述VPX连接器的四个串行通信模块耦接，并且所述FPGA控制单元分别与所述串行通信模块实施2路4×AURORA高速串行通信；
所述网络交换单元提供16路SGMII接口，并且所述网络交换单元的8路SGMII接口耦接所述VPX连接器的一系统交互模块，4路SGMII接口耦接所述光纤交换单元，2路SGMII接口耦接所述FPGA控制单元、1路SGMII接口耦接所述调试接口单元；
所述光纤交换单元通过24芯MT光纤耦接所述VPX连接器的一光电收发模块，以及所述光纤交换单元与所述FPGA控制单元耦接，所述光纤交换单元与所述FPGA控制单元实施16路AURORA高速串行通信及4路FC-10G通信；
所述FPGA控制单元通过所述串行通信单元与所述系统交互模块耦接，并且所述FPGA控制单元与所述系统交互模块实施8路RS422串行通信；
所述调试接口单元耦接到以太网接口电路；
所述电源单元供能所述FPGA控制单元、所述网络交换单元、所述光纤交换单元、所述串行通信单元及所述调试接口单元。
2.如权利要求1所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述信息交换装置包括程式配置及存储单元；
所述FPGA控制单元耦接所述程式配置及存储单元，所述程式配置及存储单元提供所述FPGA控制单元配置及存储程式的逻辑空间。
3.如权利要求2所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述程式配置及存储单元包括DDR3电路及FLASH电路；
所述DDR3电路与所述FPGA控制单元耦接；
所述FLASH电路与所述FPGA控制单元耦接。
4.如权利要求1所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述网络交换单元包括16口千兆交换机芯片JEM5396，JEM5396提供16路SGMII接口。
5.如权利要求1所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述光纤交换单元包括第一光模块及第二光模块；
所述第一光模块与所述24芯MT光纤中的12路MT光纤耦接，以及所述第一光模块与所述FPGA控制单元耦接，所述第一光模块与所述FPGA控制单元实施4路AURORA高速串行通信及4路FC-10G通信；
所述第一光模块与所述网络交换单元的4路SGMII接口耦接；
所述第二光模块与所述24芯MT光纤中的12路MT光纤耦接，以及所述第二光模块与所述FPGA控制单元耦接，所述第二光模块与所述FPGA控制单元实施12路AURORA高速串行通信。
6.如权利要求5所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述第一光模块及所述第二光模块的选型为12路并行光收发一体光模块HTG8504。
7.如权利要求1所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述调试接口单元包括以太网PHY芯片，所述以太网PHY芯片耦接在所述网络交换单元及所述以太网接口电路之间。
8.如权利要求7所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述调试接口单元包括Cameralink接口电路及SFP光模块；
所述Cameralink接口电路与所述FPGA控制电路耦接；
所述SFP光模块与所述FPGA控制电路耦接。
9.如权利要求7所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述以太网PHY芯片选型为JEM88E1111HV(I)。
10.如权利要求1所述的基于VPX架构的信息交换装置，其特征在于，
所述FPGA控制单元包括选型为JFM7VX690T80的FPGA。
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