CN114745344B - 一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置及方法，其技术特点是：本发明包括19”6U标准机箱集成电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块、CAN联网模块、视频联网模块、主机模块、数据装载模块，并使各个模块通过19”6U标准机箱底板实现板卡间的数据通讯和外部数据交换。同时数据交换装置前面板上设计有电源指示灯、网络指示灯，后盖设计有航插、保险、风机、隔离的机壳地和信号地端子。本发明能够满足多种通信设备同时接入进行数据交换，稳定可靠，同时具有抗恶略环境、电磁环境，并且可在‑40℃的寒冷环境中连续工作。

Description

一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置及方法
技术领域
本发明属于以太网交换机领域，尤其是一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置及方法。
背景技术
在现有技术中，不同通信协议及接口的交换机之间要实现数据交换，要经过多种设备的逐级转接，链路复杂且数据在传输过程中经常会出现延时或丢失。
目前针对数据交换装置及方法，如专利号201810898395.X的技术方案是采用第一FPGA芯片、第二FPGA芯片以及MCU控制器，第一FPGA芯片分别连接以太网接口以及MCU控制器，第一FPGA芯片通过节点端口连接所述第二FPGA芯片，第二FPGA芯片分别连接MCU控制器和无线信道接口，本技术方案在无线网状网与以太网进行数据交换时采用两块FPGA作为核心硬件交换处理平台，发挥了两块FPGA芯片并行处理速度快、端口易扩展、电路实现灵活和代码易移植的优势，提高了系统传输带宽利用率和实时业务的传输质量。上述的“数据交换装置、数据交换方法、计算机设备及存储介质”并不能够实现包括多种通信接口的数据交换装置及方法，同时对于数据在多种通讯接口及协议中传输的实时性和完整性无法保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置及方法，能够有效改善数据在多种通讯接口及协议中传输的实时性和完整性。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置，包括加固机箱及其内部控制板，加固机箱上设有航空连接器，航空连接器包括机箱地接口、信号地接口、GE接口、CGE接口、SDI接口、FE接口、FEPPS接口、USB1/2接口、422RS接口、422RSV接口、DVI接口、232RS接口、FUSE接口、CAN接口、CANPPS接口、电源输入接口、电源输出接口，控制板包括视频联网模块、主机模块、数据装载模块、电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块、CAN联网模块和底板模块，其特征在于：所述数据装载模块连接主机模块，主机模块、视频联网模块、CAN联网模块和智能串口通讯模块分别连接网络交换模块，电源模块连接航空连接器，视频联网模块、主机模块、数据装载模块、电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块和CAN联网模块分别连接底板模块和航空连接器。
而且，还包括调试电缆和工装航空插头，所述加固机箱为标准6U嵌入式机箱，出线方式为后出线。
一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置的交换方法，实现方法为通过根文件系统与操作系统核心进行数据交互，同时使用Bootloader为操作系统核心提供必要软环境。
而且，所述Bootloader在系统加电或复位时，从CPU预先设置的系统地址0x00000000处开始取指令执行，将Bootloader保存到NAND Flash的0x0开始的地址位置，系统将固态存储设备默认映射到地址空间的0x00000000地址处，在系统加电和复位后，CPU首先执行Bootloader，完成系统的引导加载工作。
而且，所述Bootloader具体实现步骤为：
步骤1.1、上电复位；
步骤1.2、CPU内核初始化，屏蔽所有中断；
步骤1.3、内存地址重映射；
步骤1.4、建立statck-in-cache堆栈；
步骤1.5、初始化CPU内部寄存器；
步骤1.6、初始化串口、时钟、SDRAM；
步骤1.7、设置堆栈；
步骤1.8、初始化cache
步骤1.9、跳入main_loop主循环函数；
步骤1.10、拷贝内核镜像到RAM；
步骤1.11、启动系统内核。
而且，Linux系统包括内核空间和用户空间，Linux内核是Linux系统的一部分，用户空间包含用户程序和C库，内核空间包括系统结构接口层、内核、体系结构依赖代码和硬件平台，Linux内核向下管理系统的所有硬件设备，向上它通过系统调用向应用程序提供接口。
而且，所述根文件系统实现数据通信包括以下步骤：
步骤1、读取配置文件；
步骤2、进行参数设计；
步骤3、网络进行初始化；
步骤4、串口进程初始化；
步骤5、看门狗进程初始化；
步骤6、按照协议进行数据转化；
步骤7、数据通讯。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过19”6U标准机箱集成电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块、CAN联网模块、视频联网模块、主机模块、数据装载模块组成本装置，并使各个模块通过19”6U标准机箱底板实现板卡间的数据通讯和外部数据交换。同时数据交换装置前面板上设计有电源指示灯、网络指示灯，后盖设计有航插、保险、风机、隔离的机壳地和信号地端子。本发明能够满足多种通信设备同时接入进行数据交换，稳定可靠，同时具有抗恶略环境、电磁环境，并且可在-40℃的寒冷环境中连续工作。
附图说明
图1是本发明控制板的结构图；
图2是本发明加固机箱的正面示意图；
图3是图1的俯视图；
图4是图1的左视图；
图5是本发明加固机箱上接口结构图；
图6是串口转网络原理框图；
图7是CAN转网络原理框图；
图8是SDI视频转网络原理框图；
图9是7JCP1900主机模块原理框图；
图10是7JCP1900主机模块结构设计图；
图11是7JFJ2021R模块原理框图；
图12是7JDY5604R/B电源模块原理框图；
图13是7JDB2786底板模块布局图；
图14是本发明软件架构框图；
图15是本发明软件启动工作流程图；
图16是本发明Linux操作系统的基本体系结构图；
图17是本发明Linux内核架构图；
图18是本发明数据通信流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置，如图2所示，包括加固机箱、内部控制板、调试电缆和工装航空插头，如图5所示，加固机箱上设有航空连接器，航空连接器包括机箱地接口、信号地接口、GE1接口、GE2接口、CGE1接口、CGE2接口、SDI1接口、SDI2接口、FE1～8接口、FEPPS1接口、FEPPS2接口、USB1/2接口、422RS1～3接口、422RSV接口、DVI接口、232RS1～4接口、FUSE接口、CAN1～3接口、CANPPS接口、电源输入接口、电源输出1接口、电源输出2接口，如图1所示，控制板包括视频联网模块、主机模块、数据装载模块、电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块、CAN联网模块和底板模块，所述数据装载模块通过SATA连接主机模块，主机模块、视频联网模块、CAN联网模块和智能串口通讯模块分别通过千兆以太网连接网络交换模块，航空连接器以直流24V电源给电源模块供电，视频联网模块、主机模块、数据装载模块、电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块和CAN联网模块分别与底板模块进行信息交互，并且电源模块为底板模块提供直流输入，底板模块为视频联网模块、主机模块、数据装载模块、网络交换模块、智能串口通讯模块和CAN联网模块提供直流输出；主机模块连接航空连接器的CGE1接口、CGE2接口、USB1/2接口和DVI接口，视频联网模块连接航空连接器的SDI1接口和SDI2接口，CAN联网模块连接接航空连接器的CAN1～3接口和CANPPS接口，智能串口通讯模块连接接航空连接器的422RS1～3接口、422RSV接口和232RS1～4接口，网络交换模块连接接航空连接器的FE1～8接口、FEPPS1接口、FEPPS2接口、GE1接口和GE2接口，电源模块连接电源输入接口、电源输出1接口和电源输出2接口。
本发明所使用的模块的配置如表一所示，
表一
如图2和图3所述加固机箱为19”6U标准上架嵌入式机箱，出线方式为后出线，机箱最大外形尺寸为482.6±1mm(宽)×265.9±1mm(高)×323.5±1mm(深)，并且机箱布局为采用机箱主体、前后盖板、无源背板及单元模块设计；热设计为机箱内部采取单元模块向机箱壳体传导散热；机箱上下面板设计散热通道，增大散热面积；机箱尾部设计抽风散热双风机；加固为机箱及其单元模块设计采用先天加固。
网络交换模块为7JCPNET24网络交换模块，能够对外提供24个100/1000Base-T以太网端口，其主要技术指标如下：
⑴、尺寸：6U CPCI；
⑵、VLAN：最多支持4096个符合IEEE 802.1q标准的VLAN；
⑶、端口：支持端口流量控制，符合IEEE 802.3x，支持Jumbo帧转发和冲突帧丢弃；
⑷、管理：支持命令行接口CLI(Command Line Interface)配置，支持Web网管支持通过SNMP(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)进行管理；
⑸、LACP：支持LACP(LinkAggregation Control Protocol/IEEE std 802.3ad)链路聚合控制协议；
⑹、RSTP：支持RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol/IEEE std 802.1w)快速生成树协议；
⑺、802.1x：支持基于以太网端口认证的802.1x协议；
⑻、统计：支持端口收发报文详细统计；
⑼、监控状态：支持LACP、RSTP和IGMP状态监控；
⑽、设备IP地址分配：支持在管理VLAN接口上配置IP地址。
如图6所示，智能串口通讯模块通过Local Bus与CPU进行数据交互，其主要性能指标如下：
⑴、规格：6U CPCI；
⑵、实现网络和串口数据报文的智能转换；
⑶、对外引出4路RS232和4路RS-422接口，带有128字节FIFO；
⑷、RS-422/RS-485传输速率最高可达921600kbps，波特率可选择使用；
⑸、操作系统支持WindowsXP和Windows7(64位)。
如图7所示，CAN联网模块通过Local Bus与CPU进行数据交互，其主要性能指标如下：
⑴、规格：6U CPCI板卡；
⑵、实现网络和CAN口数据报文的智能转换；
⑶、四路符合CAN规格CAN2.0A/B电磁隔离接口；
⑷、信号支持CAN_H,CAN_L,GND；
⑸、传输速率1Mbps；
⑹、操作系统支持WindowsXP和Windows7(64位)。
如图8所示，视频联网模块采用Hi3531A处理器平台搭建，通过前端采集SDI输入数据，经过H.264压缩后，软件RTSP完成推流播放，实现网络和视频数据报文的智能转换，其主要性能指标如下：
⑴、规格：6U CPCI接口形式，通过J1供电，外电为DC5V；
⑵、支持2路HD-SDI图像数据输入，分辨率1920×1080P@30Hz；
⑶、每路SDI输入图像，前端带有SDI图像环出功能；
⑷、数据经处理器压缩后，转换成H.264码流，通过网络发送至远端；
⑸、通过2个千兆以太网发送2路SDI接口的图像数据；
⑹、工作温度-40℃～+60℃。
如图9所示，主机模块为7JCP1900主机模块，其主要性能指标如下：
⑴、规格：6U CPCI板卡；
⑵、CPU：I7-3555LE，主频2.5GHz；
⑶、内存：板载4GB DDR3；
⑷、显示：分辨率满足1600×1200要求，提供1路DVI接口；
⑸、网络：提供4路100/1000M以太网接口(机箱引出2路)；
⑹、USB接口：2路USB接口(后出2路)；
⑺、操作系统支持WindowsXP。
⑻、器件布局设计：
发热量或功耗大的器件，如CPU、PCH、显卡等布局在印制板正面，方便的对其进行贴结构件传导散热；
印制板背面限高的器件，全部摆放在正面；
所有需要配置的0欧姆电阻、拨码开关等布置在印制板背面，方便使用过程中的配置更改。
⑼、绝缘设计：机壳地与信号地分离；结构件安装位置设计禁布区等；
⑽、主要元器件选型采用长寿命周期器件。
如图10所示，7JCP1900主机模块结构设计为标准的6U加固模块，其尺寸：233.35mm×160mm。
如图11所示，数据装载模块为7JFJ2021R数据装载模块，其主要性能指标如下：
⑴、7JFJ2021R数据装载模块主要用在数据交换装置内部，数据装载模块功能是由主板模块以SATA接口形式驱动，提供计算机程序及数据存储介质功能；
⑵、7JFJ2021R是一款标准6U CPCI接口模块，整个数据装载模块由3个部分组成：接口部分(用在该项目前出接口部分不引出)、硬盘部分和风扇部分。
7JFJ2021R数据装载模块结构设计为标准的6U加固模块。由于模块设计时没有发热器件，所以结构上采用自然散热即可满足要求。
模块设计时，预留了风扇位置，用于给主机模块的重要发热位置，进行风冷散热。
如图12所示，电源模块为7JDY5604R/B型电源模块，其主要性能指标如下：
⑴、输入电压：24VDC(18V～36V)；
⑵、输出电压：5V/15A﹑3.3V/10A﹑12V/3A、-12V/0.5A；
⑶、绝缘电阻：输入--机壳≥100MΩ；
⑷、耐压测试：输入--机壳(DC500V)；
⑸、工作效率：≥80％；
⑹、外形尺寸：标准6U；
⑺、模块重量：≤1.8Kg。
如图13所示，底板模块为7JDB2786底板模块，该底板模块是为数据交换装置定制的一款专用底板，其作用是为各个模块提供电源输入接口，网络信号连接及与航插面板对接的专用接口，
⑴、结构尺寸：381mm(长)×238mm(宽)×4.0mm(厚)；
⑵、插槽布局：左起6U电源模块2块、6U CPCI标准模块6块，对外接口采用J30JZ系列印制板连接器。
如图14所示，一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换方法，实现方法为通过根文件系统与操作系统核心进行数据交互，同时使用Bootloader为操作系统核心提供必要软环境。
所述根文件系统、操作系统核心和Bootloader基于Cortex-A9处理器的嵌入式Linux操作系统的平台。平台以Cortex-A9为核心，通过CAN总线接口、串口接口和网络接口与多种外设相连接，实现基本串口转串口、网络转CAN的数据通信功能；通过NANDFLASH和NORFLASH等基本存储功能，并实现进程管理调度、内存管理等基本功能；实现了对多任务调度和多种外设接口的支持；并根据数据通信的要求，实现了高速数据转化。
所述Bootloader是底层硬件和操作系统之间的枢纽，给内核启动提供了必要的软环境。Bootloader是嵌入式系统加电或复位后进入操作系统内核运行之前，执行的最初一段单独程序代码，它完成整个系统加载启动任务，正在系统开发过程中占有重要地位。Bootloader的核心功能是初始化底层硬件设备，建立内存空间映射图，基本系统检测等重要工作，为操作系统提供基本运行环境。
基于Cortex-A9处理器在系统加电或复位时，从CPU预先设置的系统地址0x00000000处开始取指令执行，将Bootloader保存到NAND Flash的0x0开始的地址位置，系统将固态存储设备默认映射到地址空间的0x00000000地址处，在系统加电和复位后，CPU首先执行Bootloader，完成系统的引导加载工作。
如图16所示，所述Bootloader具体实现步骤为：
步骤1.1、上电复位；
步骤1.2、CPU内核初始化，屏蔽所有中断；
步骤1.3、内存地址重映射；
步骤1.4、建立statck-in-cache堆栈；
步骤1.5、初始化CPU内部寄存器；
步骤1.6、初始化串口、时钟、SDRAM；
步骤1.7、设置堆栈；
步骤1.8、初始化cache；
步骤1.9、跳入main_loop主循环函数；
步骤1.10、拷贝内核镜像到RAM；
步骤1.11、启动系统内核。
如图16所示，操作系统核心为Linux系统，Linux系统包括内核空间和用户空间，Linu内核是Linux系统的一部分用户空间包含用户程序和C库，内核空间包括系统结构接口层、内核、体系结构依赖代码和硬件平台，如图17所示，Linux内核向下管理系统的所有硬件设备，向上它通过系统调用向应用程序提供接口。
数据通信软件的设计依赖于串口和CAN，需编码设计基于GPMC接口的TL16C854串口驱动和SJA1000 CAN驱动。
Linux文件系统的根目录“/”位于Linux文件系统的目录结构的最顶层。根文件系统通常存放于内存和存储介质中，系统启动后，Linux内核会挂载一个设备到根目录上。根文件系统中存放了所有的系统命令、系统配置以及其它文件系统的挂载点以及嵌入式使用的所有应用程序和库。文件系统可分为基于RAM的文件系统和基于FLASH的文件系统，不同文件系统有不同的特点，本设计中采用基于FLASH的文件系统。
定制根文件系统的方法很多，最常用的是使用Busybox来构建。构建了Linux根文件系统，制作Ramdisk文件，并将其移植到硬件平台上。
如图18所示，数据通信软件是实现网络数据和串口数据、网络数据和CAN数据高速交互的关键设计，根文件系统实现数据通信包括以下步骤：
步骤1、读取配置文件；
步骤2、进行参数设计；
步骤3、网络进行初始化；
步骤4、串口进程初始化；
步骤5、看门狗进程初始化；
步骤6、按照协议进行数据转化；
步骤7、数据通讯。
根据上述一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置及方法，对本发明进行测试，得到数据如下：
实现了网络和串口数据报文的智能转换；对外引出4路RS232和4路RS-422接口，带有128字节FIFO；RS-422/RS-485传输速率最高可达921600kbps，波特率可选择使用。
实现了网络和CAN口数据报文的智能转换；四路符合CAN规格CAN2.0A/B电磁隔离接口；信号支持CAN_H,CAN_L,GND；传输速率1Mbps。
实现了网络和视频数据报文的智能转换：支持2路HD-SDI图像数据输入，分辨率1920×1080P@30Hz；每路SDI输入图像，前端带有SDI图像环出功能；数据经处理器压缩后，转换成H.264码流，通过网络发送至远端；通过2个千兆以太网发送2路SDI接口的图像数据。
同时实现对各路信号的处理、转发和数据监控；CPU为I7-3555LE，主频2.5GHz；内存为板载4GB DDR3；显示为分辨率满足1600×1200要求，提供1路DVI接口；网络为提供4路100/1000M以太网接口(机箱引出2路)；USB接口为2路USB接口(后出2路)。
实现串口通讯模块、CAN模块、视频模块数据的以太网传输；VLAN为最多支持4096个符合IEEE 802.1q标准的VLAN；支持命令行接口CLI(Command Line Interface)配置，支持Web网管支持通过SNMP(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)进行管理；支持LACP(LinkAggregation Control Protocol/IEEE std 802.3ad)链路聚合控制协议；支持RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol/IEEE std 802.1w)快速生成树协议；支持基于以太网端口认证的802.1x协议；支持在管理VLAN接口上配置IP地址。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置，包括加固机箱及其内部控制板，加固机箱上设有航空连接器，航空连接器包括机箱地接口、信号地接口、GE接口、CGE接口、SDI接口、FE接口、FEPPS接口、USB1/2接口、422RS接口、422RSV接口、DVI接口、232RS接口、FUSE接口、CAN接口、CANPPS接口、电源输入接口、电源输出接口，控制板包括视频联网模块、主机模块、数据装载模块、电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块、CAN联网模块和底板模块，其特征在于：所述数据装载模块连接主机模块，主机模块、视频联网模块、CAN联网模块和智能串口通讯模块分别连接网络交换模块，视频联网模块、主机模块、数据装载模块、电源模块、网络交换模块、智能串口通讯模块和CAN联网模块分别连接底板模块和航空连接器。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置，其特征在于：还包括调试电缆和工装航空插头，所述加固机箱为标准6U嵌入式机箱，出线方式为后出线。
3.一种采用如权利要求1或2所述的基于以太网包含多种通信接口的数据交换装置实现的交换方法，其特征在于：所述交换方法为通过根文件系统与操作系统核心进行数据交互，同时使用Bootloader为操作系统核心提供必要软环境。
4.根据权利要求3所述的交换方法，其特征在于：所述Bootloader在系统加电或复位时，从CPU预先设置的系统地址0x00000000处开始取指令执行，将Bootloader保存到NANDFlash的0x0开始的地址位置，系统将固态存储设备默认映射到地址空间的0x00000000地址处，在系统加电和复位后，CPU首先执行Bootloader，完成系统的引导加载工作。
5.根据权利要求4所述的交换方法，其特征在于：所述Bootloader具体实现步骤为：
步骤1.1、上电复位；
步骤1.2、CPU内核初始化，屏蔽所有中断；
步骤1.3、内存地址重映射；
步骤1.4、建立statck-in-cache堆栈；
步骤1.5、初始化CPU内部寄存器；
步骤1.6、初始化串口、时钟、SDRAM；
步骤1.7、设置堆栈；
步骤1.8、初始化cache;
步骤1.9、跳入main_loop主循环函数；
步骤1.10、拷贝内核镜像到RAM；
步骤1.11、启动系统内核。
6.根据权利要求3所述的交换方法，其特征在于：所述操作系统核心为Linux系统，Linux系统包括内核空间和用户空间，Linux内核是Linux系统的一部分，用户空间包含用户程序和C库，内核空间包括系统结构接口层、内核、体系结构依赖代码和硬件平台，Linux内核向下管理系统的所有硬件设备，向上通过系统调用向应用程序提供接口。
7.根据权利要求3所述的交换方法，其特征在于：所述根文件系统实现数据通信包括以下步骤：
步骤1、读取配置文件；
步骤2、进行参数设计；
步骤3、网络进行初始化；
步骤4、串口进程初始化；
步骤5、看门狗进程初始化；
步骤6、按照协议进行数据转化；
步骤7、数据通讯。
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