CN202334565U - 一种列车实时以太网中继装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种列车实时以太网中继装置，包括电源板和通信处理板，通信处理板进一步包括FPGA模块和以太网接口模块，电源板将车载电源输入转换成直流电源输出,为FPGA模块和以太网接口模块提供电源，FPGA模块与以太网接口模块相连，FPGA模块实现以太网接口控制，以太网接口模块实现以太网的物理接口，物理层的编解码和信号整形功能。通过实施本实用新型，采用FPGA作为中继设备的主控芯片，可以实现最小的物理延时，带宽较宽，中继距离长。同时采用专用的以太网物理层收发芯片，符合IEEE802.3标准，能兼容标准以太网设备，使以太网信号在列车中能够长距离传输，并且满足列车通信网络系统严格的实时性要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种网络中继装置，尤其涉及一种应用于列车通信网络的实时以太网中继装置，广泛应用于铁路机车、城市轨道交通、地铁等车辆。
背景技术
随着列车通信网络技术的日益成熟，以太网以其丰富的带宽、低廉的成本受到了各国铁路装备供应商的大力青睐，而尤以100Mbps的以太网作为新一代列车通信网络的首选。按照IEEE802.3的规定：以太网采用10Base-TX和100Base-TX作为物理层编码标准，采用5类双绞线作为物理层传输媒介，最大传输距离为100米，超过这个距离时，需要增加中继设备来延长传输距离。全双工的以太网协议虽然并无传输距离的限制，但是在实际应用中，物理层技术限制了最大的传输距离。IEEE802.3规定以太网采用10Base-TX和100Base-TX作为物理层编码标准时，采用双绞线作为传输媒介，传输距离最大为100米。但在实际应用中编组车辆从首辆到末辆之间的距离往往大于100米，因此需要增加以太网中继装置。
列车通信网络的实时性作为保证列车安全运行的重要条件之一，因此要求应用在列车上的以太网通信系统要具有严格的实时性。根据列车不同的应用需求，整个网络延时一般要求为10毫秒或甚至1毫秒左右。当需要采用双绞线进行长距离传输时，如果采用工业以太网交换机或者集线器来作为中继设备时，其具有较大的延时,从而造成整个网络的延时较大，满足不了列车通信网络的实时性要求。
目前为了达到延长列车实时以太网传输距离的目的，已有方案一般采用交换机或集线器来实现或者通过提升源宿设备的物理层接口电压来完成。对于交换机或集线器设备，其延时较大；对于采用提高以太网物理层接口电压的中继设备，由于其接口电压不符合IEEE802.3标准规定，很难与其他符合IEEE802.3标准的以太网设备兼容。
有鉴于以上原因，必需研制出一种能够进行中继100Base-TX以太网的装置，并且满足列车以太网严格的实时性要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种列车实时以太网中继装置，该装置符合IEEE802.3标准，带宽较宽、延时小、中继距离长，能够使得以太网信号在列车中能够长距离传输，并且满足列车通信网络系统严格的实时性要求。
本实用新型具体提供了一种列车实时以太网中继装置的具体实施方式，一种列车实时以太网中继装置，包括电源板和通信处理板，通信处理板进一步包括FPGA模块和以太网接口模块，电源板将车载电源输入转换成直流电源输出,为FPGA模块和以太网接口模块提供电源，FPGA模块与以太网接口模块相连，FPGA模块实现以太网接口控制，以太网接口模块实现以太网的物理接口，物理层的编解码和信号整形功能。
作为本实用新型一种列车实时以太网中继装置进一步的实施方式，以太网接口模块包括以太网物理层收发模块，网络变压器和网口连接器，网口连接器与网络变压器相连，网络变压器与以太网物理层收发模块相连，以太网物理层收发模块与FPGA模块相连。
作为本实用新型一种列车实时以太网中继装置进一步的实施方式，网口连接器采用D编码的M12连接器。
作为本实用新型一种列车实时以太网中继装置进一步的实施方式，FPGA模块包括中央控制模块，同步再生模块，双口RAM模块和同步检测模块，同步检测模块与以太网物理层收发模块相连，对来自以太网物理层收发模块MII接口的数据进行同步信息的提取和起始帧分界符的识别，同步检测模块与双口RAM模块相连，将起始帧分界符之后的有效数据暂存到双口RAM模块中；同步再生模块与双口RAM模块相连，提取双口RAM模块中的数据帧，并在数据帧前添上新的同步头和起始帧分界符，增加新的同步信息；双口RAM模块暂存数据帧，并进行数据交互；中央控制模块与双口RAM模块相连，控制同步再生模块和同步检测模块工作，产生满足以太网物理层收发模块的相应时序，并控制双口RAM模块的读写时序。
作为本实用新型一种列车实时以太网中继装置进一步的实施方式，列车实时以太网中继装置包括4个以太网接口，分别为接口1、接口2、接口3和接口4，接口1和接口2组成一条以太网链路，用于中继一路以太网；接口3和接口4组成另一条以太网链路，用于中继另一路以太网。
作为本实用新型一种列车实时以太网中继装置进一步的实施方式，FPGA模块采用现场可编程门阵列芯片。以太网物理层收发模块采用专用ASIC芯片。
通过实施本实用新型一种列车实时以太网中继装置，采用FPGA作为中继设备的主控芯片，FPGA程序采用合适的算法，可以实现最小64微秒的物理延时，带宽较宽、延时小、中继距离长。同时采用专用的以太网物理层收发芯片，符合IEEE802.3标准，能兼容标准以太网设备。能够使以太网信号在列车中能够长距离传输，并且满足列车通信网络系统严格的实时性要求。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1为本实用新型列车实时以太网中继装置一种具体实施方式的系统结构组成框图；
图2为本实用新型列车实时以太网中继装置一种具体实施方式的FPGA部分结构组成框图；
图3为本实用新型列车实时以太网中继装置一种具体实施方式的电源板部分结构组成框图；
图4为本实用新型列车实时以太网中继装置一种具体实施方式的同步检测模块状态转换示意图；
图5为本实用新型列车实时以太网中继装置一种具体实施方式的同步再生模块状态转换示意图；
其中：1-FPGA模块，2-以太网接口模块，3-电源板模块，4-以太网物理层收发模块，5-网络变压器，6-网口连接器，7-中央控制模块，8-同步再生模块，9-双口RAM模块，10-同步检测模块。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如附图1、2、3所示，给出了应用本实用新型而形成的列车实时以太网中继装置的一个具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示的列车实时以太网中继装置分两块单板，一块为电源板，另一块为通信处理板。电源板完成车载DC110V电源输入到一路隔离DC5V直流电源输出的转换，额定输出功率5W。通信处理板进一步包括FPGA模块1和以太网接口模块2，为FPGA模块1和以太网接口模块2提供电源，FPGA模块1与以太网接口模块2相连，FPGA模块1实现以太网接口控制，以太网接口模块2实现以太网的物理接口，物理层的编解码和信号整形功能。
以太网接口模块2进一步包括以太网物理层收发模块4（PHY芯片，以太网物理层收发器件），网络变压器5和网口连接器6，网口连接器6与网络变压器5相连，网络变压器5与以太网物理层收发模块4相连，以太网物理层收发模块4与FPGA模块1相连。FPGA模块1采用现场可编程门阵列芯片，以太网物理层收发模块4采用专用ASIC芯片。本实用新型采用FPGA作为中继装置的主控芯片，FPGA程序采用合适的算法，可以实现最小64微秒的物理延时。同时采用专用的ASIC芯片实现以太网物理层收发模块4的功能，符合IEEE802.3标准，能兼容标准以太网设备。
如图2所示，FPGA模块1进一步包括中央控制模块7，同步再生模块8，双口RAM模块9和同步检测模块10；
同步检测模块10与以太网物理层收发模块4相连，对来自以太网物理层收发模块4的MII（介质无关接口）接口的RXD[3:0]数据数据进行同步信息的提取和起始帧分界符（SFD，帧起始分界符）的识别，同步检测模块10与双口RAM模块9相连，将起始帧分界符之后的有效数据暂存到双口RAM模块9中；
同步再生模块8与双口RAM模块9相连，提取双口RAM模块9中的数据帧，并在数据帧前添上新的同步头和起始帧分界符，增加新的同步信息；
双口RAM模块9暂存数据帧，并进行数据交互，双口RAM 是在一个SRAM 存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问；
中央控制模块7与双口RAM模块9相连，控制同步再生模块8和同步检测模块10工作，产生满足以太网物理层收发模块4的相应时序，并控制双口RAM模块9的读写时序。
中央控制模块7，同步再生模块8，双口RAM模块9和同步检测模块10之间的控制信号流向关系如下所述：
PORT1_RXD[3:0]为输入信号，FPGA接收到的来自接口1 PHY芯片的4位数据；
PORT1_TXD[3:0]为输出信号，FPGA向接口1 PHY芯片发送的4位数据；
PORT1_TXEN为输出信号，FPGA向接口1 PHY芯片输出的发送使能；
PORT1_RXDV为输入信号，FPGA接收到的来自接口1 PHY芯片的接收使能；
PORT1_CRS为输入信号，FPGA接收到的来自接口1 PHY芯片的载波信号；
PORT1_RXER为输入信号，FPGA接收到的来自接口1 PHY芯片的接收数据出错指示信号；
PORT2_RXD[3:0]为输入信号，FPGA接收到的来自接口2 PHY芯片的4位数据；
PORT2_TXD[3:0]为输出信号，FPGA向接口2 PHY芯片发送的4位数据；
PORT2_TXEN为输出信号，FPGA向接口2 PHY芯片输出的发送使能；
PORT2_RXDV为输入信号，FPGA接收到的来自接口2 PHY芯片的接收使能；
PORT2_CRS为输入信号，FPGA接收到的来自接口2 PHY芯片的载波信号；
PORT2_RXER为输入信号，FPGA接收到的来自接口2 PHY芯片的接收数据出错指示信号；
Addr为FPGA内部控制模块与内部双口RAM之间的地址线；
DATA[3:0]为FPGA内部控制模块与内部双口RAM之间的数据线。
其中，同步检测模块10的状态转换图如图3所示：
（1）当中继装置上电开始工作后，状态机初始化为IDLE状态；
（2）当来自某一以太网接口PHY芯片的MII接口信号RX_DV信号有效时，表示需要接收以太网帧，状态机转换到检测以太网帧前导码“1010”和以太网帧同步码“1011”状态。到检测到非“1010”或“1011”时，返回到IDLE状态，放弃当前帧传输。等待下一帧。
（3）当检测到以太网帧前导码和帧同步码后，进入帧有效数据存储状态，将帧有效数据存储到FPGA内部双口RAM中。
同步再生模块8的状态转换图如图4所示：
（1）当中继装置上电工作后，状态机初始化为IDLE状态；
（2）当接收状态机检测到以太网帧同步码“1011”后，就置TXEN有效，发送状态机转换到发送以太网帧前导码“1010”状态及发送以太网帧同步码“1011”状态；
（3）当发送完以太网帧前导码“1010”及以太网帧同步码“1011”后，转换到发送帧有效数据状态。读取双口RAM中的数据，并同步发送；
（4）当发送完帧有效数据后，状态机跳转到IDLE状态，等待下一帧的发送。
列车实时以太网中继装置包括4个以太网接口，分别为接口1、接口2、接口3和接口4，接口1和接口2组成一条以太网链路，用于中继一路以太网；接口3和接口4组成另一条以太网链路，用于中继另一路以太网。其中每个接口原理相同，主要包括以太网物理层收发模块4、网络变压器5、网口连接器6。以太网物理层收发模块4用于物理层信号编解码和信号整形等功能。网络变压器5的功能在于：第一，它对信号进行了电平耦合，增强信号的传输能力；第二，它使外部通讯线与内部芯片相隔离，大大提高抗电平破坏能力。网口连接器6采用D编码的M12连接器，其与RJ45连接器相比具有高的可靠性，适合在列车中应用。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种列车实时以太网中继装置，包括电源板和通信处理板，其特征在于：通信处理板包括FPGA模块（1）和以太网接口模块（2），电源板将车载电源输入转换成直流电源输出,为FPGA模块（1）和以太网接口模块（2）提供电源，FPGA模块（1）与以太网接口模块（2）相连，FPGA模块（1）实现以太网接口控制，以太网接口模块（2）实现以太网的物理接口，物理层的编解码和信号整形功能。
2.根据权利要求1所述的一种列车实时以太网中继装置，其特征在于：所述以太网接口模块（2）包括以太网物理层收发模块（4），网络变压器（5）和网口连接器（6），网口连接器（6）与网络变压器（5）相连，网络变压器（5）与以太网物理层收发模块（4）相连，以太网物理层收发模块（4）与FPGA模块（1）相连。
3.根据权利要求2所述的一种列车实时以太网中继装置，其特征在于：所述网口连接器（6）采用D编码的M12连接器。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种列车实时以太网中继装置，其特征在于：所述的列车实时以太网中继装置包括4个以太网接口，分别为接口1、接口2、接口3和接口4，接口1和接口2组成一条以太网链路，用于中继一路以太网；接口3和接口4组成另一条以太网链路，用于中继另一路以太网。
5.根据权利要求4所述的一种列车实时以太网中继装置，其特征在于：所述的FPGA模块（1）采用现场可编程门阵列芯片。
6.根据权利要求5所述的一种列车实时以太网中继装置，其特征在于：所述的以太网物理层收发模块（4）采用专用ASIC芯片。
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