CN114978788A - 一种基于双模式切换的网络交换机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双模式切换的网络交换机，包括：供电模块、CAN解析模块、网络切换模块和网络交换模块；供电模块用于接收外部电源电压提供内部电源电压；并响应于CAN解析模块提供的控制信号控制网络交换模块的电源连接状态，以使网络交换模块的电源在直连模式下断开；CAN解析模块用于解析当前输入的CAN信号，向供电模块和网络切换模块输出对应的控制信号以代表当前的工作模式为直连模式或交换模式；网络切换模块用于响应于CAN解析模块提供的控制信号实现工作模式切换，且在直连模式下直接实现两个预设网口的网络直连功能；网络交换模块用于在交换模式下对所有接入网口实现网络交换功能。本发明用两种模式切换能降低整体功耗。

Description

一种基于双模式切换的网络交换机

技术领域

本发明属于网络交换机领域，具体涉及一种基于双模式切换的网络交换机。

背景技术

网络交换机，是一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机。

目前，传统网络交换机是通过交换芯片来实现多个端口同时进行数据交换的。但是，在某些特定场景中，通常只有两个端口在日常作业中进行数据交换，而其他端口并不参与数据交换。因此，在该情况下，使用传统网络交换机会带来交换设备整体功耗较大的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于双模式切换的网络交换机。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于双模式切换的网络交换机，包括：供电模块、CAN解析模块、网络切换模块和网络交换模块；其中，

所述供电模块，用于接收外部电源电压为所述基于双模式切换的网络交换机提供内部电源电压；并响应于所述CAN解析模块提供的控制信号，控制所述网络交换模块的电源连接状态，以使得所述网络交换模块的电源在直连模式下断开；

所述CAN解析模块，用于解析当前输入的CAN信号，向所述供电模块和所述网络切换模块输出对应的控制信号以代表当前的工作模式；其中，所述当前的工作模式为所述直连模式或交换模式；

所述网络切换模块，用于响应于所述CAN解析模块提供的控制信号实现工作模式切换，且在所述直连模式下，直接实现两个预设网口的网络直连功能；

所述网络交换模块，用于在所述交换模式下，对所有接入网口实现网络交换功能。

在本发明的一个实施例中，所述供电模块，包括：

电源电压转换单元和电源通断控制单元；其中，所述电源电压转换单元至少包括外部电源电压转5V子单元和5V转3.3V子单元；所述外部电源电压转5V子单元用于将所述外部电源电压转换为5V电压输出；所述5V转3.3V子单元用于将所述外部电源电压转5V子单元输出的5V电压转换为3.3V电压输出；所述电源通断控制单元包括电源通断控制芯片。

在本发明的一个实施例中，所述CAN解析模块，包括：

CAN收发单元和CAN解析单元；其中，所述CAN收发单元包括CAN收发器；所述CAN解析单元包括单片机芯片。

在本发明的一个实施例中，所述网络切换模块，包括：

多个作为模拟开关的、与两个预设网口具有连接关系的切换芯片。

在本发明的一个实施例中，所述网络交换模块，包括：

5V转换供电单元和交换芯片；其中，所述5V转换供电单元用于将所述电源电压转换单元输出的5V电压转换为不同大小的电压，为所述交换芯片供电；所述交换芯片与所述两个预设网口之外的多个网口固定连接。

在本发明的一个实施例中，所述基于双模式切换的网络交换机，还包括：

四个LED指示灯，包括电源指示灯、网络交换模块电源通断指示灯、直连模式指示灯和交换模式指示灯；

其中，所述电源指示灯用于指示接收到的所述外部电源电压是否正常；所述网络交换模块电源通断指示灯受控于所述电源通断控制单元的输出电压，用于指示所述网络交换模块的电源是否导通；所述直连模式指示灯受控于所述CAN解析模块输出的控制信号，用于指示当前的工作模式是否为所述直连模式；所述交换模式指示灯受控于所述CAN解析模块输出的控制信号，用于指示当前的工作模式是否为所述交换模式。

在本发明的一个实施例中，所述基于双模式切换的网络交换机，还包括：

屏蔽外壳。

在本发明的一个实施例中，所述基于双模式切换的网络交换机在正常开机和意外断电重启后的工作模式默认为所述直连模式。

在本发明的一个实施例中，所述CAN解析模块解析当前输入的CAN信号，向所述供电模块和所述网络切换模块输出对应的控制信号以代表当前的工作模式，包括：

若所述单片机芯片接收到的CAN信号对应于第一数据，所述单片机芯片对其解析后向所述电源通断控制芯片和两个切换芯片输出低电平的控制信号，以代表当前的工作模式为直连模式；

若所述单片机芯片接收到的CAN信号对应于第二数据，所述单片机芯片对其解析后向所述电源通断控制芯片和两个切换芯片输出高电平的控制信号，以代表当前的工作模式为交换模式。

在本发明的一个实施例中，所述供电模块响应于所述CAN解析模块提供的控制信号，控制所述网络交换模块的电源连接状态，包括：

所述电源通断控制芯片在接收到低电平的控制信号时，断开所述5V转换供电单元的输入电源；

所述电源通断控制芯片在接收到高电平的控制信号时，导通所述5V转换供电单元的输入电源；

相应的，所述网络切换模块响应于所述CAN解析模块提供的控制信号实现工作模式切换，且在所述直连模式下，直接实现两个预设网口的网络直连功能，包括：

所述多个切换芯片在接收到低电平的控制信号时相互对应导通，将所述两个预设网口进行直连，实现工作模式切换至所述直连模式；

所述多个切换芯片在接收到高电平的控制信号时相互对应断开，并各自导通与所述交换芯片的连接，将所述两个预设网口接入所述交换芯片，实现工作模式切换至所述交换模式。

本发明的有益效果：

本发明实施例所提供的基于双模式切换的网络交换机中，CAN解析模块对输入的CAN信号解析后，向供电模块和网络切换模块输出代表不同工作模式的控制信号。供电模块据此控制所述网络交换模块的电源在直连模式下断开，在交换模式下导通。网络切换模块据此在直连模式下直接实现两个预设网口的网络直连功能，在交换模式下利用网络交换模块实现所有接入网口的网络交换功能。由于直连模式下仅两个预设网口实现数据交换，网络交换模块不工作，不产生功耗。因此，本发明实施例能够降低交换机的整体功耗。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的功能示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的逻辑设计原理图；

图4为本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的PCB板实物图；

图5为本发明实施例提供的一种外部电源电压转5V子单元的电路结构图；

图6为本发明实施例提供的一种5V转3.3V子单元的电路结构图；

图7为本发明实施例提供的一种电源通断控制芯片的电路原理图；

图8为本发明实施例提供的一种CAN收发单元的电路结构图；

图9(a)和(b)为本发明实施例提供的一种单片机芯片的电路原理图；

图10为本发明实施例提供的一种网络切换模块的电路结构图；

图11为本发明实施例提供的一种5V转3.3V电路的结构图；

图12为本发明实施例提供的一种3.3V转1.0V电路的结构图；

图13为本发明实施例提供的一种交换芯片的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了降低网络交换机的整体功耗，本发明实施例提供了一种基于双模式切换的网络交换机，采用网络直连与网络交换并存的双模式设计。主要功能请参见图1理解，图1是本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的功能示意图。图1中虚线框代表该基于双模式切换的网络交换机。其利用开关形式具体实现“网络交换”与“网络直连”的双模式网络通信功能。直连模式下，实现“网口1”和“网口2”的网络直连功能；交换模式下，实现“网口1”、“网口2”、“网口3”、“网口4”等多个网口的网络交换功能，即作为一般“网络交换机”使用。

关于该基于双模式切换的网络交换机的结构请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的结构示意图，该基于双模式切换的网络交换机包括：供电模块、CAN解析模块、网络切换模块和网络交换模块；其中，

供电模块，用于接收外部电源电压为基于双模式切换的网络交换机提供内部电源电压；并响应于CAN解析模块提供的控制信号，控制网络交换模块的电源连接状态，以使得网络交换模块的电源在直连模式下断开。

CAN解析模块，用于解析当前输入的CAN信号，向供电模块和网络切换模块输出对应的控制信号以代表当前的工作模式；其中，当前的工作模式为直连模式或交换模式。

网络切换模块，用于响应于CAN解析模块提供的控制信号实现工作模式切换，且在直连模式下，直接实现两个预设网口的网络直连功能。

网络交换模块，用于在交换模式下，对所有接入网口实现网络交换功能。

为了便于理解该基于双模式切换的网络交换机的工作原理，以下对各模块分别进行说明。

(1)供电模块

供电模块可以接收输入的外部电源电压。可选的一种实施方式中，外部电源电压的范围可以包括18～29V等。供电模块可以采用现有的任意一种电源接口器件接收外部电源电压，比如可以采用15芯的J30J接口连接器等。

供电模块可以根据基于双模式切换的网络交换机中各器件不同的供电需求，将接收到的外部电源电压转化为不同大小的电压以提供给对应的器件。

可选的一种实施方式中，供电模块可以包括：

电源电压转换单元和电源通断控制单元。

由于交换机内各器件常用的供电电压包括5V(伏特)和3.3V，电源电压转换单元至少包括外部电源电压转5V子单元和5V转3.3V子单元；外部电源电压转5V子单元用于将外部电源电压转换为5V电压输出；5V转3.3V子单元用于将外部电源电压转5V子单元输出的5V电压转换为3.3V电压输出。

可以采用现有的任意一种能够将外部电源电压值转换为5V电压值的器件或者电路作为本发明实施例的外部电源电压转5V子单元，比如可以利用现有的稳压器实现，等等；并可以采用现有的任意一种能够将5V电压值转换为3.3V电压值的器件或者电路作为本发明实施例的5V转3.3V子单元，比如也可以利用现有的稳压器实现等等，可以根据电路需要对两者进行具体设计。

当然，电源电压转换单元内除外部电源电压转5V子单元之外，还可以根据需要包含有其他外部电源电压转换子单元，比如外部电源电压转12V子单元等。

电源通断控制单元包括电源通断控制芯片；电源通断控制芯片用于响应于CAN解析模块提供的控制信号，控制网络交换模块的电源连接状态，以使得网络交换模块的电源在直连模式下断开，在交换模式下导通。

具体的，电源通断控制芯片其中一个引脚作为信号输入端，用来接收CAN解析模块输出的控制信号，另一个引脚作为电压输出端，用于向网络交换模块提供电源电压。当电源通断控制芯片的信号输入端接收到代表交换模式的控制信号时，控制网络交换模块的电源导通，向网络交换模块提供5V电源电压；在电源通断控制芯片接收到代表直连模式的控制信号时，控制网络交换模块的电源断开。

可以理解的是，当网络交换模块的电源电压为5V时，网络交换模块工作；当网络交换模块的供电电源电压断开时，网络交换模块处于掉电状态，不工作，因此，能够降低该网络交换机的整体功耗。

本发明实施例中，电源通断控制芯片可以采用现有的任意一种具备电源通断切换功能的芯片实现，比如AAP2281、FDC6329L等，可以根据需要进行选型。

(2)CAN解析模块

可选的一种实施方式中，CAN解析模块，可以包括：

CAN收发单元和CAN解析单元。

其中，CAN收发单元包括CAN收发器；CAN解析单元包括单片机芯片。

CAN收发器利用CAN接口接收外设CAN总线的CAN信号，并对输入的CAN信号进行数据处理，通过单片机指定IO口输出控制信号。本发明实施例可以采用现有的任意一种CAN收发器实现，比如，可以采用SIT82C250、PCA82C250等。

单片机芯片可以对CAN收发器输出的CAN信号进行处理，并输出相应的控制信号。一方面，其可以向供电模块的电源通断控制芯片输出控制信号实现网络交换模块的电源通断；另一方面，其可以向网络切换模块输出控制信号实现两种工作模式的切换。

具体的，可以预先对单片机芯片进行编码，确定与两种工作模式分别对应的CAN信号的数据形式，那么，当单片机芯片根据接收到的CAN信号的不同数据，可以解析后对应向供电模块的电源通断控制芯片和网络切换模块输出低电平的控制信号，以代表当前的工作模式为直连模式。或者，解析后对应向供电模块的电源通断控制芯片和网络切换模块输出高电平的控制信号，以代表当前的工作模式为交换模式。关于与两种工作模式分别对应的CAN信号的具体数据形式可以根据单片机芯片的编码代码确定，对此不做限定，可选的具体示例请见后文描述内容。

本发明实施例的单片机芯片可以根据需要从现有的单片机芯片中选型，比如可以为SMT32F429IGT6、SMT32F767IGT6、STM32F103ZET6等。

(3)网络切换模块

网络切换模块可以根据接收到的控制信号，实现直连模式和交换模式的切换。

具体的，本发明实施例的直连模式是实现两个预设网口的网络直连，网络切换模块，包括：

多个作为模拟开关的、与两个预设网口具有连接关系的切换芯片。

多个切换芯片在接收到低电平的控制信号时导通彼此之间的连接，将两个预设网口进行直连。

多个切换芯片在接收到高电平的控制信号时断开彼此之间的连接，并且，每个切换芯片导通与网络交换模块的连接，将两个预设网口接入交换芯片。

比如，可选的一种实施方式中，网络切换模块，包括：两个切换芯片，其中每个切换芯片固定连接一个预设网口。关于切换芯片的工作模式切换过程，在后文中结合具体芯片型号予以说明。

本发明实施例中的切换芯片可以利用现有的任意一种带宽满足预设要求的切换芯片实现，比如，针对带宽要求最低为百兆可以选取相应的百兆切换芯片比如CD4051等，针对带宽要求最低为千兆可以选取相应的千兆切换芯片，比如CH446Q等等。

(4)网络交换模块

其中，网络交换模块，包括：

5V转换供电单元和交换芯片。

其中，5V转换供电单元用于将电源电压转换单元输出的5V电压转换为不同大小的电压，为交换芯片供电；交换芯片与两个预设网口之外的多个网口固定连接。

本发明实施例中，网络交换模块的整体供电来自于供电模块中的电源通断控制单元提供的5V电压，但由于网络交换模块内交换芯片的供电需求并不是5V，因此需要一定的电源转换电路，将5V转换为需要的电源电压，即采用5V转换供电单元。

具体的，5V转换供电单元可以包括5V转3.3V电路，以及将3.3V转换为其余电压的电路，比如3.3V转1.0V电路，或者3.3V转1.1V电路等，具体可以根据芯片的供电需求进行设置。

5V转3.3V电路用于在电源通断控制芯片为网络交换模块提供的电压为5V时，将该5V电压转换为3.3V电压；3.3V转1.0V电路用于将5V转3.3V电路输出的3.3V电压转换为1.0V电压，3.3V转1.1V电路用于将5V转3.3V电路输出的3.3V电压转换为1.1V电压；5V转换供电单元输出的3.3V电压和1.0V电压(或者1.1V电压)用于为交换芯片的不同引脚供电。

可以理解的是，前文的供电模块中的电源通断控制单元是直接向该5V转换供电单元提供电源电压的。

为了便于统一理解，在此，对单片机芯片输出不同控制信号以控制电源通断控制芯片和切换芯片的过程进行整体说明。

可选的一种实施方式中，CAN解析模块解析当前输入的CAN信号，向供电模块和网络切换模块输出对应的控制信号以代表当前的工作模式，可以包括：

若单片机芯片接收到的CAN信号对应于第一数据，单片机芯片对其解析后向电源通断控制芯片和两个切换芯片输出低电平的控制信号，以代表当前的工作模式为直连模式；

若单片机芯片接收到的CAN信号对应于第二数据，单片机芯片对其解析后向电源通断控制芯片和两个切换芯片输出高电平的控制信号，以代表当前的工作模式为交换模式。

其中，针对CAN信号，第一数据比如可以为“00 00 00 00 00 00 00 00”等。相应的，第二数据可以为“00 00 00 00 00 00 00 01”等。

具体的，以网络切换模块包括两个切换芯片为例，当CAN信号为第一数据时，单片机芯片对其进行数据处理后，由单片机芯片与电源通断控制芯片连接的一个引脚，向电源通断控制芯片输出低电平的控制信号；并由单片机芯片与两个切换芯片连接的引脚，向两个切换芯片输出低电平的控制信号。

当CAN信号为第二数据时，单片机芯片对其进行数据处理后，由单片机芯片与电源通断控制芯片连接的一个引脚，向电源通断控制芯片输出高电平的控制信号；并由单片机芯片与两个切换芯片连接的引脚，向两个切换芯片输出高电平的控制信号。

此时，供电模块响应于CAN解析模块提供的控制信号，控制网络交换模块的电源连接状态，包括：

电源通断控制芯片在接收到低电平的控制信号时，断开5V转换供电单元的输入电源。

电源通断控制芯片在接收到高电平的控制信号时，导通5V转换供电单元的输入电源。

具体的，电源通断控制芯片在接收到代表交换模式的高电平的控制信号时，切换到闭合状态，经其电压输出引脚向为交换芯片供电的5V转换供电单元输出5.0V电压。

电源通断控制芯片在接收到代表直连模式的低电平的控制信号时，切换到断开状态，断开经其电压输出引脚向为交换芯片供电的5V转换供电单元输出的5V电压。

本发明实施例中，当处于直连模式时，交换芯片为掉电状态，整个网络交换模块不工作；当处于交换模式时，交换芯片正常工作，网络交换芯片的所有接入网口连接的外部设备之间互连互通，此时网络交换模块与传统网络交换机的功能相同。

同时，网络切换模块响应于CAN解析模块提供的控制信号实现工作模式切换，且在直连模式下，直接实现两个预设网口的网络直连功能，包括：

多个切换芯片在接收到低电平的控制信号时相互对应导通，将两个预设网口进行直连，实现工作模式切换至直连模式。

多个切换芯片在接收到高电平的控制信号时相互对应断开，并各自导通与交换芯片的连接，将两个预设网口接入交换芯片，实现工作模式切换至交换模式。

本发明实施例中的交换芯片可以利用现有的任意一种带宽满足预设要求的交换芯片实现，比如，针对带宽要求最低为百兆可以选取相应的百兆交换芯片，比如KSZ8795等。针对带宽要求最低为千兆可以选取相应的千兆交换芯片，比如RTL8367RB、RTL8370N等等。

需要说明的是，本发明实施例中的外部电源电压转5V子单元、5V转3.3V子单元电源通断控制芯片、CAN收发单元、单片机芯片、切换芯片、5V转换供电单元和交换芯片的具体电路构成，可以根据器件手册结合性能指标要求，通过电路仿真和实验确定，在此不做具体限定。

5)关于该基于双模式切换的网络交换机中的其余器件

可选的一种实施方式中，基于双模式切换的网络交换机，还可以包括：

四个LED指示灯，包括电源指示灯、网络交换模块电源通断指示灯、直连模式指示灯和交换模式指示灯。

其中，电源指示灯用于指示接收到的外部电源电压是否正常；网络交换模块电源通断指示灯受控于电源通断控制单元的输出电压，用于指示网络交换模块的电源是否导通；直连模式指示灯受控于CAN解析模块输出的控制信号，用于指示当前的工作模式是否为直连模式；交换模式指示灯受控于CAN解析模块输出的控制信号，用于指示当前的工作模式是否为交换模式。

具体的，当外部电源电压正常供电时，电源指示灯点亮，表示外部电源电压转5V子单元供电正常；当外部电源电压未正常供电时，电源指示灯熄灭，表示外部电源电压转5V子单元未供电正常。

当电源通断控制单元有5V电压输出时，网络交换模块电源通断指示灯点亮，表示网络交换模块供电正常；同时，直连模式指示灯熄灭，交换模式指示灯点亮，表示处于交换模式。

当电源通断控制单元没有电压输出时，网络交换模块电源通断指示灯熄灭，表示网络交换模块供电断开；同时，直连模式指示灯点亮，交换模式指示灯熄灭，表示处于直连模式。

可选的一种实施方式中，基于双模式切换的网络交换机，还包括：

屏蔽外壳。

为了增强散热能力、抗冲击以及抗腐蚀能力，屏蔽外壳可以采用金属材料，比如铝合金型材、镀锌钢板等。

进一步的，在交换机主板与屏蔽外壳之间还可以设置导热硅胶垫片用于导热散热，并实现绝缘性能和减震吸音效果。

可选的一种实施方式中，基于双模式切换的网络交换机在正常开机和意外断电重启后的工作模式默认为直连模式。这种情况下，单片机芯片输出低电平的控制信号，网络交换模块电源通断指示灯熄灭，表示网络交换模块供电断开；同时，直连模式指示灯点亮，交换模式指示灯熄灭。

可以理解的是，将该基于双模式切换的网络交换机任意开启后的工作模式默认为直连模式，可以保持较小的设备功耗。

本发明实施例所提供的基于双模式切换的网络交换机中，CAN解析模块对输入的CAN信号解析后，向供电模块和网络切换模块输出代表不同工作模式的控制信号。供电模块据此控制网络交换模块的电源在直连模式下断开，在交换模式下导通。网络切换模块据此在直连模式下直接实现两个预设网口的网络直连功能，在交换模式下利用网络交换模块实现所有接入网口的网络交换功能。由于直连模式下仅两个预设网口实现数据交换，网络交换模块不工作，不产生功耗。因此，本发明实施例能够降低交换机的整体功耗。

可选的一种实施方式中，以实现千兆网络交换机为例，通过对器件芯片选型，对双模式切换的网络交换机进行了具体设计。请参见图3和图4。图3和图4示出了屏蔽外壳以内的双模式切换的网络交换机的主板部分。图3为本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的逻辑设计原理图；图4为本发明实施例提供的一种基于双模式切换的网络交换机的PCB板实物图。

其中，J30J-15ZKW-J是供电模块内接收外部电源电压15芯接口连接器。向外部电源电压转5V子单元中的稳压器LM2596_5.0提供18～29V的PowerVcc。稳压器LM2596_5.0将该外部电源电压转换为Vin+5V的5V电源电压输出，提供给线性稳压器RT9193-33GB和电源通断控制芯片AAT4610B。线性稳压器RT9193-33GB将5V电源电压转换为3.3V的VCC3.3V输出。除此之外，J30J-15ZKW-J也用于接收外部输入的CAN信号。

单片机芯片STM32F109ZET6接收CAN收发单元输入的来自外部的CAN信号。为了简化，图3和图4中并未示出CAN收发单元。单片机芯片STM32F109ZET6利用引脚PE13将其控制信号，通过电源通断控制芯片AAT4610B的引脚4输入电源通断控制芯片AAT4610B。单片机芯片STM32F103ZET6的引脚PE14是预留的IO口，可以连接其余设备。单片机芯片STM32F103ZET6利用引脚PE15将其控制信号发送至切换芯片PI3L301D。

两个切换芯片PI3L301D的带宽能够达到千兆以上，分别连接两个预设网口：网口1和网口2。当每个切换芯片PI3L301D接收到低电平的控制信号时，开关状态如图3状态，网口1和网口2直接连通，实现直连模式。当每个切换芯片PI3L301D接收到高电平的控制信号时，改变开关状态使得每个模拟开关上下相对的两个端口导通，将网口1和网口2接入交换芯片RTL8367N，实现交换模式。需要说明的是，图3仅仅作为示意，并不代表网口1和2与切换芯片的连接方式为单端口或者单线连接，具体的连接方式请见后文的电路原理图部分。

线性稳压芯片UZ1084G是网络交换模块中，5V转换供电单元内5V转3.3V电路的主要组成器件，将JH_5.0V转换为3.3V输出；线性稳压芯片AP7361是3.3V转1.0V电路的主要组成器件，将3.3V转换为1.0V输出，均用于给交换芯片RTL8367N供电。

交换芯片RTL8367N可以实现千兆网络带宽，具有最多五个连接端口，固定连接有网口3～5，在交换模式下，网口1和2也被接入进来，因此可以实现网口1～5的数据交换。

图3中LED1～LED4分别是交换模式指示灯、直连模式指示灯、网络交换模块电源通断指示灯和电源指示灯。图4中方框所示的LED部分内，左侧模块内上下分别为网络交换模块电源通断指示灯和电源指示灯，右侧模块内上下分别为直连模式指示灯和交换模式指示灯。

以下对图3和图4所示的基于双模式切换的网络交换机中各局部电路进行具体说明。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种外部电源电压转5V子单元的电路结构图，主要包括稳压器LM2596_5.0。

图5中，“18V～29V”电源接口提供来自外部的预设电源电压。“PowerVcc”与“18V～29V”电源接口相连，作为LM2596_5.0稳压器的输入端，连接到引脚1对应的“Vin”端口。同时，“Vin”端口还对地并接有电容C61和C62，C62作为输入端旁路电容，主要作用是防止出现大电压瞬变，以及在每次开关导通时提供所需的瞬时电流。C61为滤波电容。引脚“2”作为输出端口，串联电感L1后通过“Vin_+5V”固定输出5V电压到“5V转3.3V子单元”和“电源通断控制芯片”。此外，“Vin_+5V”输出的5V电压可以为CAN解析模块中的CAN收发器供电。并且，在电感L1的两侧分别对地连接有一个二极管D1和电容C63。D1用于在降压稳压器开关关闭时为电感电流提供返回路径；C63作为输出电容器来过滤输出电压，并提供稳压器环路稳定性。

LM2596_5.0稳压器的引脚3和5接地。引脚4连接至电感L1的输出端，用于监测输出电压并进行控制。

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种5V转3.3V子单元的电路结构图，主要包括线性稳压器RT9193-33GB。

图6中，稳压器LM2596_5.0输出的5V电压通过“Vin_+5V”输入到线性稳压器RT9193-33GB中，同时，“Vin_+5V”还对地接有电容C67，其可确保稳压器更好的电源抑制比和线路瞬态反应。引脚5对应的“Vout_3.3V”固定输出3.3V电压，为网络切换模块和CAN解析模块供电，引脚5还对地接有电容C64，C64可以降低噪声并改善负载瞬态响应、稳定性和电源抑制比。

线性稳压器RT9193-33GB的引脚2接地。引脚4串联电容C68，其作为“BP”引脚的旁路电容，主要作用是显著降低稳压器输出上的噪声后接地。

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种电源通断控制芯片的电路原理图；其中，电源通断控制芯片为AAT4610B。

图7中，稳压器LM2596_5.0输出的5V电压通过“Vin_+5V”，经引脚5输入到电源通断控制芯片AAT4610B，引脚5对地连接有滤波电容C65。单片机芯片输出的控制信号经通过电源通断控制芯片AAT4610B的引脚4输入。当引脚4接收到高电平的控制信号时，电源通断控制芯片AAT4610B处于闭合状态，引脚1对应的“JH_5.0V”输出5V电压，为网络交换模块供电；当引脚4接收到低电平的控制信号时，电源通断控制芯片AAT4610B处于断开状态，“JH_5.0V”无输出电压，网络交换模块断电。

其中，电源通断控制芯片AAT4610B的引脚1对地连接有滤波电容C66；引脚2接地；引脚3对地连接有电阻R35，R35是连接在“SET”引脚和地之间的电流限制电阻，通过调节电阻阻值，可以改变阈值电流。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种CAN收发单元的电路结构图；CAN收发器包括：CAN收发器TJA1050T。

图8中，供电模块输出的5.0V电压“Vin_+5V”通过CAN收发器TJA1050T的引脚3提供供电电压。“CAN_H_in”和“CAN_L_in”通过CAN接口与外设CAN总线相连，作为CAN收发器TJA1050T的信号输入。经CAN收发器TJA1050T处理过的CAN信号通过“CAN_TX”和“CAN_RX”接入到单片机芯片中，以进行CAN解析。

其中，引脚2和“Vin_+5V”之间串接有滤波电容C20；引脚6和7之间连接有终端匹配电阻R12。

请参见图9，图9(a)和(b)为本发明实施例提供的一种单片机芯片的电路原理图；图9(a)和图9(b)分别是单片机芯片STM32F103ZET6电路原理图的上半部分和下半部分。

图9中，供电模块输出的3.3V电压通过单片机芯片STM32F103ZET6的引脚17、39、52、62、72、84、95、108、121、131、144提供供电电压。经CAN收发器TJA1050T处理过的CAN信号通过“PA11、PA12”输入到单片机芯片STM32F103ZET6，然后通过引脚PE13\PE14\PE15输出控制信号。

具体的，单片机芯片STM32F103ZET6的引脚PE13将其控制信号通过电源通断控制芯片AAT4610B的引脚4输入电源通断控制芯片AAT4610B。单片机芯片STM32F103ZET6的引脚PE14是预留的IO口，可以连接其余设备。单片机芯片STM32F103ZET6利用引脚PE15将其控制信号发送至千兆网络切换芯片。

单片机芯片STM32F103ZET6其余引脚连接的电阻、电容、电感等器件，请详见图9，在此不再一一说明。

请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种网络切换模块的电路结构图；主要包括两个切换芯片PI3L301D。

供电模块输出的3.3V电压“VCC_Switch”通过切换芯片PI3L301D的引脚1、6、12、19、36提供供电电压。单片机芯片STM32F103ZET6的PE15引脚通过切换芯片PI3L301D的引脚24输入控制信号。当引脚24接收到低电平的控制信号时，处于直连模式，两个预设网口，即网口1、网口2通过切换芯片PI3L301D完成网口直连，实现网络直连功能；当切换芯片PI3L301D的引脚24接收到高电平的控制信号时，处于交换模式，网口1(RJ45-1)、网口2(RJ45-2)通过切换芯片PI3L301D接入网络交换模块，实现网络交换功能。以下以切换芯片1和2来描述两个切换芯片PI3L301D，具体的：

切换芯片1的8个引脚A_N，即2、4、8、10、15、17、21、23接网口1；切换芯片2的8个引脚A_N，即2、4、8、10、15、17、21、23接网口2；切换芯片的引脚24接到低电平的控制信号后，两个切换芯片的8个A_N引脚与8个相对应_NB2引脚断开，与8个_NB1引脚依次对应连通，然后切换芯片1的_NB1与切换芯片2的_NB1相连，原理如图10(N＝0,1,2,3,4,5,6,7)所示，实现网络直连功能。

切换芯片1的8个_NB2引脚，即25、26、31、32、38、39、44、45与交换芯片引脚4、3、2、1、87、86、85、84相连；切换芯片2的8个_NB2引脚，即25、26、31、32、38、39、44、45与交换芯片引脚14、13、12、11、9、8、7、6相连；切换芯片的引脚24接到高电平的控制信号后，两个切换芯片的8个A_N引脚与8个相对应_NB1引脚断开，与8个_NB2引脚依次对应连通，网口1、2接入交换芯片，原理如图10(N＝0,1,2,3,4,5,6,7)所示，实现网络交换功能。

针对为交换芯片供电的电路，请参见图11和图12，图11为本发明实施例提供的一种5V转3.3V电路的结构图；图12为本发明实施例提供的一种3.3V转1.0V电路的结构图。

图11主要包括线性稳压芯片UZ1084G。其中，电源通断控制芯片AAT4610B输出的5.0V电压“JH_5.0V”，通过线性稳压芯片UZ1084G的引脚3输入，以提供供电电压，并通过线性稳压芯片UZ1084G的引脚2输出3.3V电压，以提供给交换芯片。并且，线性稳压芯片UZ1084G的引脚2的输出端还对地并联有电容C13、C14和C15。

图12主要包括线性稳压芯片AP7361。其中，线性稳压芯片UZ1084G输出的3.3V电压，通过线性稳压芯片AP7361的引脚1输入，以提供供电电压，并通过线性稳压芯片AP7361的引脚3输出1.0V电压(图12中表示为1V0)，以提供给网络交换模块。并且，线性稳压芯片AP7361的引脚3的输出端还对地并联有电容C16、C17和C18。

图13为本发明实施例提供的一种交换芯片的电路原理图。主要包括交换芯片RTL8367N。

图13中，线性稳压芯片UZ1084G输出的3.3V电压通过交换芯片RTL8367N的引脚5、25、35、40、42、52、63、77、83提供供电，线性稳压芯片AP7361输出的1.0V电压通过交换芯片RTL8367N的引脚10、20、30、38、41、47、53、60、64、88提供供电。

CAN信号数据为“00 00 00 00 00 00 00 00”时，交换芯片RTL8367N的5V断电，网络交换模块不参与工作，处于直连模式。

CAN信号数据为“00 00 00 00 00 00 00 01”时，交换芯片RTL8367N的5V导通，网络交换模块参与工作，处于交换模式。交换模式下，网口1和2通过两个切换芯片PI3L301D接入交换芯片RTL8367N；网口3(RJ45-3)、网口4(RJ45-4)、网口5(RJ45-5)直接接入交换芯片RTL8367N。具体的，网口3与交换芯片RTL8367N的引脚16、17、18、19、21、22、23、24相连；网口4与交换芯片RTL8367N的引脚26、27、28、29、31、32、33、34相连；网口5与交换芯片RTL8367N的引脚43、44、45、46、48、49、50、51相连。

交换芯片RTL8367N其余引脚连接的主要电阻、电容等器件，请见图13，详细电路在此不再一一说明。

本发明实施例通过具体的器件选型和仿真实验，能够搭建出一个针对千兆网络的低功耗的网络交换机。其能够根据不同的CAN信号，自动切换工作模式，在直连模式下，该网络交换机呈掉电状态。因此，能够在实现直连模式和交换模式两种工作模式的数据交换基础上，降低网络交换机的设备功耗。

需要说明的是，根据切换芯片和交换芯片依据不同带宽的选型，以及其余芯片的不同选择，本发明实施例也可以搭建出百兆或者万兆等带宽要求的网络交换机，比如，针对百兆网络交换机的主要芯片选型可以如表1所示。具体电路在此不做详细说明。

表1基于双模式切换的百兆网络交换机主要芯片选型明细表

器件	型号	供电电压
			交换芯片	IP175G	3.3V/1.2v
切换开关	ADG5436BRUZ	12V
			单片机芯片	STM32F409IGT6	1.8V～3.6V
CAN收发器	TJA1050T	4.75V～5.25V
			5V电压转换芯片	LM2596_5.0	4.5V～40V
12V电压转换芯片	LM3480IM3-12	0V～30V
			3.3V电压转换芯片	RT9193-33GB	2.5V～5.5V
5V电源通断控制芯片	AAT4610B	2.4V～5.5V

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，包括：供电模块、CAN解析模块、网络切换模块和网络交换模块；其中，

所述供电模块，用于接收外部电源电压为所述基于双模式切换的网络交换机提供内部电源电压；并响应于所述CAN解析模块提供的控制信号，控制所述网络交换模块的电源连接状态，以使得所述网络交换模块的电源在直连模式下断开；

所述CAN解析模块，用于解析当前输入的CAN信号，向所述供电模块和所述网络切换模块输出对应的控制信号以代表当前的工作模式；其中，所述当前的工作模式为所述直连模式或交换模式；

所述网络切换模块，用于响应于所述CAN解析模块提供的控制信号实现工作模式切换，且在所述直连模式下，直接实现两个预设网口的网络直连功能；

所述网络交换模块，用于在所述交换模式下，对所有接入网口实现网络交换功能。

2.根据权利要求1所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述供电模块，包括：

电源电压转换单元和电源通断控制单元；其中，所述电源电压转换单元至少包括外部电源电压转5V子单元和5V转3.3V子单元；所述外部电源电压转5V子单元用于将所述外部电源电压转换为5V电压输出；所述5V转3.3V子单元用于将所述外部电源电压转5V子单元输出的5V电压转换为3.3V电压输出；所述电源通断控制单元包括电源通断控制芯片。

3.根据权利要求1或2所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述CAN解析模块，包括：

CAN收发单元和CAN解析单元；其中，所述CAN收发单元包括CAN收发器；所述CAN解析单元包括单片机芯片。

4.根据权利要求3所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述网络切换模块，包括：

多个作为模拟开关的、与两个预设网口具有连接关系的切换芯片。

5.根据权利要求2或4所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述网络交换模块，包括：

5V转换供电单元和交换芯片；其中，所述5V转换供电单元用于将所述电源电压转换单元输出的5V电压转换为不同大小的电压，为所述交换芯片供电；所述交换芯片与所述两个预设网口之外的多个网口固定连接。

6.根据权利要求2所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述基于双模式切换的网络交换机，还包括：

四个LED指示灯，包括电源指示灯、网络交换模块电源通断指示灯、直连模式指示灯和交换模式指示灯；

其中，所述电源指示灯用于指示接收到的所述外部电源电压是否正常；所述网络交换模块电源通断指示灯受控于所述电源通断控制单元的输出电压，用于指示所述网络交换模块的电源是否导通；所述直连模式指示灯受控于所述CAN解析模块输出的控制信号，用于指示当前的工作模式是否为所述直连模式；所述交换模式指示灯受控于所述CAN解析模块输出的控制信号，用于指示当前的工作模式是否为所述交换模式。

7.根据权利要求1所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述基于双模式切换的网络交换机，还包括：

屏蔽外壳。

8.根据权利要求1所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述基于双模式切换的网络交换机在正常开机和意外断电重启后的工作模式默认为所述直连模式。

9.根据权利要求5所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述CAN解析模块解析当前输入的CAN信号，向所述供电模块和所述网络切换模块输出对应的控制信号以代表当前的工作模式，包括：

若所述单片机芯片接收到的CAN信号对应于第一数据，所述单片机芯片对其解析后向所述电源通断控制芯片和两个切换芯片输出低电平的控制信号，以代表当前的工作模式为直连模式；

若所述单片机芯片接收到的CAN信号对应于第二数据，所述单片机芯片对其解析后向所述电源通断控制芯片和两个切换芯片输出高电平的控制信号，以代表当前的工作模式为交换模式。

10.根据权利要求9所述的基于双模式切换的网络交换机，其特征在于，所述供电模块响应于所述CAN解析模块提供的控制信号，控制所述网络交换模块的电源连接状态，包括：

所述电源通断控制芯片在接收到低电平的控制信号时，断开所述5V转换供电单元的输入电源；

所述电源通断控制芯片在接收到高电平的控制信号时，导通所述5V转换供电单元的输入电源；

相应的，所述网络切换模块响应于所述CAN解析模块提供的控制信号实现工作模式切换，且在所述直连模式下，直接实现两个预设网口的网络直连功能，包括：

所述多个切换芯片在接收到低电平的控制信号时相互对应导通，将所述两个预设网口进行直连，实现工作模式切换至所述直连模式；

所述多个切换芯片在接收到高电平的控制信号时相互对应断开，并各自导通与所述交换芯片的连接，将所述两个预设网口接入所述交换芯片，实现工作模式切换至所述交换模式。

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