列车以太网交换机硬件设计与实现

摘要

近年来，随着国内地铁建设的兴起，地铁列车网络通信技术有了较快速的发展，由于以太网有数据传输速度快、设备兼容性好、应用广泛的特点，其技术在车辆内部网络通信中的应用已经成为了必然的发展趋势，而交换机作为地铁以太网络通信的关键设备，在其质量、性能和功能方面都有一定的要求。
　　为了满足地铁列车中越来越多的通信终端设备传输信息的需求，本文设计了一种多端口的地铁列车以太网交换机，其不仅支持百兆和干兆网口的传输速度，而且为了承载VoIP语音服务、多媒体视频点播等多种应用需求，本文以太网交换机提供了四个优先级队列的QoS，保证了关键数据的快速和及时的转发。另外该交换机还支持环网冗余和以太网供电等功能，保证了列车以太网传输数据的可靠性和设备安装的便捷性。
　　本文首先介绍了地铁列车网络的发展和列车网络交换机的特点，然后介绍了交换机的整体方案设计与主要器件选取，接着对交换机的硬件部分设计进行了详细的讨论，介绍了交换机采用了两片88E6097以Serdes接口模式连接，构成了一个大的网络交换模块。主控芯片采用FPGA，其外部器件主要包括LPDDR、FLASH、POE、USB接口电路等，之后又结合硬件电路设计介绍了信号完整性知识和PCB的设计。接下来又介绍了在交换机上构建嵌入式SOPC系统，实现对交换机的远程管理功能。最后本文对交换机做了相关的测试，并对本文交换机的设计进行了总结与展望。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 地铁列车网络及发展

1．2 列车以太网交换机概述

1．2．1 列车以太网交换机特点

1．2．2 列车以太网交换机应用

1．3 课题研究意义及内容

1．4 论文结构

2 列车以太网交换机方案设计

2．1 主要器件选取

2．1．1 以太网交换芯片选取

2．1．2 主控及其外围器件选取

2．1．3 POE供电控制芯片选取

2．2 整体结构设计

2．3 交换机环形网络

2．4 交换机SOPC嵌入式系统构建

2．5 本章小结

3 交换机各功能模块硬件原理图设计

3．1 FPGA主控模块

3．1．1 FPGA引脚配置

3．1．2 FPGA内部控制模块说明

3．2 主控模块外围电路设计

3．2．1 FLASH选取及其电路设计

3．2．2 内存控制接口电路及功能仿真

3．2．3 USB接口电路

3．2．4 时钟及复位电路

3．3 以太网交换模块

3．3．1 以太网交换芯片介绍

3．3．2 交换芯片功能配置

3．4 POE模块电路

3．5 供电电源部分

3．6 本章小结

4 信号完整性及板卡PCB实现

4．1 信号完整性问题的产生及避免

4．2 以太网差分信号及阻抗控制

4．3 板卡PCB实现

4．3．1 板卡PCB布局

4．3．2 板卡PCB面向生产的设计

4．4 本章小结

5 板卡相关测试

5．1 板卡硬件测试

5．2 高低温和电磁兼容性测试

5．3 交换机网络通信功能测试

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢