RU195047U1 - Программно-аппаратный коммутатор для сетей с интерфейсом Ethernet и его конструктив - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к радиотехнике. Технический результат заключается в повышении скорости передачи данных до 1 и более Гбит/с и в повышении помехоустойчивости. Для этого заявленный коммутатор содержит два сетевых коммутатора, программируемый микроконтроллер - МК, первую и вторую линейки разъемов, первую и вторую линейки трансформаторов, линейку индикаторов, преобразователь напряжения АС/АС со следующими соединениями: МК соединен с первым коммутатором шиной ШД1 по интерфейсу RMII, а с первым и вторым коммутаторами шиной ШД2 по интерфейсу SPI, также соединен с внешней флэш-памятью шиной ШД4, первый и второй коммутаторы соединены между собой шиной ШД3 по интерфейсу RGMII, выходы портов обоих коммутаторов соединены с линейкой светодиодных индикаторов, сеть Ethernet - восемь однопортовых линий связи - связана через первую и вторую линейку разъемов и через первую и вторую линейку трансформаторов с первой и второй линейками портов входа/выхода PHY, а также одна линия связи соединена с преобразователем напряжения АС/АС. 1 з.п. ф-лы, 2ил.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к системам обмена данными сетей Ethernet в электропоездах серии ЭС2Г «Ласточка» РФ и может быть использована в системах видеонаблюдения и оповещения пассажиров (СВОП) в условиях больших электромагнитных помех, присущих электропоездам.

Общей проблемой известных систем обмена данными является недостаточная скорость передачи и приема данных. Также бесперебойная работа в жестких условиях эксплуатации в условиях больших ЭМ помех, присутствующих на ж/д поездах.

Общеизвестны коммутаторы фирм Cisco CISCO SF100D-08P-EU (см. http://routersandswitches.ru/catalog/cisco/Switches/serija-100/serija-100_1957.html), D-Link DES-3526 (см. https://glavst.ru/switches-used/fast-ethernet-used/dlink-des-3526-used?yclid=1664525064665330096), QTECH QSW-3410-10T-AC Ethernet (см. https://tnvst.ru/catalog/kommutatory/kommutator-dostupa-qtech-qsw-3410-10t-ac/) и др., которым присущи указанные недостатки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является Ethernet коммутатор NM10 фирмы Men описанный в https://www.men.de/products/switches-access-points/nm10/. Безвентиляторный, необслуживаемый, защищенный, специально разработанный для работы в железнодорожном и автотранспорте в жестких условиях эксплуатации.

Недостаток - плохая помехозащищенность, так:

- не обеспечивается защита от коммутационных помех по портам питания изделия, вследствие чего происходит выгорание портов питания и у коммутатора, наблюдается некорректная работа программного обеспечения, что требует переподключения питания;

- недостаточно высокая скорость обмена информации вследствие неудачного выбора элементной базы и алгоритма работы.

Технической задачей полезной модели является: повышение скорости передачи данных до 1 и более Гбит/с и повышение помехоустойчивости.

Технический результат достигается за счет конфигурирования параметров коммутатора на основе искусственной нейронной сети, что позволяет коммутатору быть одним из узлов локальной сети, также выполнение его электрической схемы с открытой архитектурой, что позволяет легко наращивать вычислительные мощности.

Для решения поставленной задачи предлагается программно-аппаратный коммутатор для сетей с интерфейсом Ethernet, характеризующийся тем, что содержит два сетевых коммутатора, программируемый микроконтроллер - МК, первую и вторую линейки разъемов, первую и вторую линейки трансформаторов, линейку индикаторов, внешнюю флэш-память и преобразователь напряжения АС/АС со следующими соединениями: МК соединен с первым коммутатором шиной ШД1 по интерфейсу RMII, а с первым и вторым коммутаторами шиной ШД2 по интерфейсу SPI, также соединен с внешней флэш-памятью шиной ШД4, первый и второй коммутаторы соединены между собой шиной ШД3 по интерфейсу RGMII, выходы портов обоих коммутаторов соединены с линейкой светодиодных индикаторов, сеть Ethernet - восемь однопортовых линий связи - связана через первую и вторую линейку разъемов и через первую и вторую линейку трансформаторов с первой и второй линейками портов входа/выхода PHY, а также одна линия связи соединена с преобразователем напряжения АС/АС.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема коммутатора, на которой показано:

1 - микроконтроллер (МК);

2 и 3 - первый и второй блоки сетевых коммутаторов БК1 и БК2 (соответственно);

4 и 5 - первая и вторая линейка согласующих трансформаторов гальванической развязки (соответственно);

6 и 7 - первая и вторая линейки ВЧ разъемов (соответственно);

8 - линейка светодиодных индикаторов;

9 - внешняя флэш-память;

10 - преобразователь АД/АД;

ШД 1 - шина данных по формату RMII (интерфейс);

ШД 2 - шина данных по формату SPI (интерфейс);

ШД 3 - шина данных по формату RGMII (интерфейс);

ШД 4 - шина связи с внешней флэш-памятью 9.

Схема имеет следующие соединения.

МК1 через ШД1 соединен с первым блоком БК1 (вход MII-1), а через ШД2 с первым и вторым БК1 и БК2 (входы SPI), которые между собой соединены ШД3 (входы MII-2).

Интерфейс 1000 BASE-T соединен с семью входами линеек разъемов 6 и 7 и через них и через линейки трансформаторов 4 и 5 соединен с семью портами PHJ БК1 и БК2 (четыре порта БК1 и три БК2). Через восьмой разъем второй линейки 7 подаются соответствующие цепи питания от внешнего источника питающих напряжений (цепи питания внутри устройства условно не показаны). Дополнительно МК1 связан с внешней флэш-памятью 9. Линейка индикаторов 8 соединена с линейками Ethernet-портов БК1 и БК2.

Составные части коммутатора могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС:

- МК1: на ИМС LPC1758 FBD80 фирмы NXP см.

https://www.nxp.com/docs/en/data-

sheet/LPC1759_58_56_54_52_51.pdf.

- БК1 и БК2: на ИМС KSZ9897RTXI фирмы Microchip см. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/00002330В.pdf.

- Светодиодные индикаторы линейки 8: на Компонент KPBD-3224SYKCGKC, см. http:/www.kingbright.com/attachments/file/psearch/000/00/20160808bak/KPBD-3224S YKCGKC(Ver. 14B).pdf

- Согласующие трансформаторы линеек 4 и 5: на трансформаторы гальванической развязки HX5008NL см. https://productfinder.pulseeng.con/doc_type/WEB301/doc_num/HX5008NL-01 /doc_part/HX5008NL.pdf

- Разъемы линеек 6 и 7: на разъемы типа M12.

- Флэш-память 9: на AT25DF081A Flash ПЗУ, 1 Мбайт см. http:/www.adestotech.com/wp-content/uploads/doc8715.pdf

Устройство работает следующим образом.

Предлагаемый коммутатор Ethernet работает в режиме промежуточного хранения (Store and Forward) и предназначен для объединения сетевых устройств в локальную вычислительную сеть системы СВОП для электропоездов серии ЭС2Г «Ласточка». Изделие обеспечивает коммутацию линии Ethernet, имеет в своем составе 8 портов, обеспечивающие передачу данных со скоростью 1 Гбит/с.

Коммутатор оснащен программируемым микроконтроллером, что позволяет гибко адаптировать функционал устройства под конкретные задачи.

Программное обеспечение (ПО) коммутатора предназначено для управления работой изделий других коммутаторов (Коммутатор-03.02 и Коммутатор-05) и выполняет следующие функции:

- инициализация аппаратного обеспечения коммутатора (настройка режима работы коммутатора при подаче питания);

- считывание и изменение значений параметров, определяющих режим работы коммутатора;

- контроль текущего состояния коммутатора и диагностика неисправностей в работе локальной сети.

Управляющее ПО верхнего уровня (всей системы электропоезда) взаимодействует с ПО коммутатора по протоколу HTTP вызовом CGI-скриптов.

Повышение помехоустойчивости по основной цепи питания локомотива (=24-31 В) достигается за счет выполнения преобразователя АС/АС (входное напряжение постоянного тока в различные выходные напряжения постоянного тока), которая априори «убирает» различные выбросы, НЧ и ВЧ шумы от электрооборудования локомотива (см.).

Повышение быстродействия достигается за счет применения алгоритмов построения управлением сетевых по принципу искусственной нейронной сети (по существу коммутируемая матрица), см., например, патент РФ №135434.

Помехоустойчивость по сигнальным цепям коммутации основана на том, что отношение сигнал/шум по ним довольно велико >> 1, поэтому дополнительных мер защиты не требуется.

В крайнем случае, может быть применено быстрое преобразование Фурье (для приемных) и обратное (для передатчиков), но это для дальнейшего повышения помехоустойчивости.

На фиг. 2 показан корпус коммутатора, выполненный методом компьютерной графики в ракурсе

спереди, имеющий следующие соединения:

11 - корпус коммутатора;

12 - восемь разъемов на передней панели для подключения линий Ethernet;

13 - разъем для подключения питания на передней панели;

14 - девять светодиодных индикаторов на правой боковой стенке 8;

15 - шпилька заземления с фиксирующей частью;

16 - основание для крепления корпуса на месте установки;

17- обозначения разъемов.

Коммутатор представляет собой блок, выполненный в пылевлагозащищенном корпусе 11 с восемью разъемами 12 типа Ml2, расположенными в шахматном порядке на лицевой панели (сам блок расположен на плоской панели 16), для подключения линий Ethernet1000BASE-T, одним разъемом 13 для подключения питания 24 вольта постоянного тока и девятью светодиодными индикаторами 14, один из которых индицирует наличие питания, а восемь остальных - состояние Ethernet-портов.

Все разъемы подключены к линии Ethernet, разъем питания и шпилька заземления расположены на передней стенке в шахматном порядке, а светодиодная индикация размещена на правой боковой стенке, на верхней крышке нанесены обозначения разъемов.

Таким образом, предлагаемое техническое решение данного коммутатора позволяет создать функциональный блок, отвечающий требованиям эргономики и системам обмена данными, предъявляемым к изделиям данного класса, за счет придания его элементам оптимальной конфигурации с функциональным назначением.

Цветность диодов следующая:

- зеленый постоянный - установлена связь 1 Гбит/с;

- зеленый мигающий - передача данных на 1 Гбит/с;

- оранжевый постоянный - установлена связь на 100 Мбит/с;

- оранжевый мигающий - передача данных на 100 Мбит/с.

Также на корпусе расположена шпилька заземления 15 с фиксирующей гайкой.

Claims (2)

1. Программно-аппаратный коммутатор для сетей с интерфейсом Ethernet, характеризующийся тем, что содержит два сетевых коммутатора, микроконтроллер - МК, первую и вторую линейки разъемов, первую и вторую линейки трансформаторов, линейку индикаторов, преобразователь напряжения АС/АС со следующими соединениями: МК соединен с первым коммутатором шиной ШД 1 по интерфейсу RMII, а с первым и вторым коммутаторами шиной ШД 2 по интерфейсу SPI, при этом шина ШД4 программируемого микроконтроллера выполнена с возможностью подключения внешней флеш-памяти, первый и второй коммутаторы соединены между собой шиной ШД 3 по интерфейсу RGMII, выходы портов обоих коммутаторов соединены с линейкой светодиодных индикаторов, сеть Ethernet - восемь однопортовых линий связи - связана через первую и вторую линейку разъемов и через первую и вторую линейку трансформаторов с первой и второй линейками портов входа/выхода PHY, а также одна линия связи соединена с преобразователем напряжения АС/АС.

2. Программно-аппаратный коммутатор по п. 1, который представляет собой корпус, разработанный на основе требований к типовым блокам ж/д транспорта и выполнен в пылевлагозащищенном корпусе с восемью разъемами типа M12, расположенными в шахматном порядке на лицевой панели, для подключения линий Ethernet1000BASE-T, и еще одним разъемом для подключения питания 24 вольта постоянного тока и девятью светодиодными индикаторами, расположенными на боковой панели, один из которых индицирует наличие питания, а восемь остальных - состояние Ethernet-портов.

Images