[发明专利]一种基于ARM+FPGA架构的列车以太网交换机

摘要

本发明提供了一种基于ARM+FPGA架构的列车以太网交换机，属于嵌入式系统领域。列车以太网交换机是列车网络进行数据交换传输的设备，该列车以太网交换机包括主控制模块和以太网交换模块两部分。主控制模块由主控芯片及其外围器件电路组成，主要负责系统的初始化、配置、管理以及运行上层应用程序等。以太网交换模块由百兆网子模块、千兆网子模块和POE子模块组成。百兆网子模块和千兆网子模块负责列车内大量网络数据的转发；POE子模块完成以太网用电设备检测、分级和监控供电等功能。各功能模块协调工作，构成了完整的交换机系统。本发明可在轨道交通系统的动车、城市地铁、轻轨等领域中应用。

主权项

一种基于ARM+FPGA架构的列车以太网交换机，其特征在于，该列车以太网交换机包括两个功能模块：主控制模块和以太网交换模块；主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，负责系统的初始化、配置、管理以及运行上层应用程序；主控芯片采用ARM+FPGA架构的处理器，内部包含双ARM Cortex‑A9、FPGA与外设接口，其中ARM Cortex‑A9和FPGA通过AXI高速总线相连；外围器件包括DDR3内存芯片、Flash芯片、iNAND芯片、USB PHY芯片、RS232电平转换芯片以及时钟复位芯片；其中，DDR3内存芯片和主控芯片的动态内存控制接口相连，用于操作系统和应用程序的运行；Flash芯片和主控芯片的静态内存控制接口相连，用于存放bootloader和系统文件；iNAND芯片和主控芯片的SDIO接口相连作为应用程序的存储芯片；USB PHY芯片和主控芯片的USB2.0接口相连为交换机进行系统备份和配置信息更新；RS232电平转换芯片和主控芯片的UART接口相连作为交换机的调试接口；主控芯片的千兆MAC接口和以太网交换模块的以太网交换芯片相连，为三层路由和环网控制提供数据传输通路；主控芯片的I²C接口用于实时读取POE芯片各供电接口的功耗信息，对POE芯片进行管理；主控芯片的SMI接口在主控芯片的FPGA内生成，用于对以太网交换芯片寄存器进行配置管理；以太网交换模块包括百兆网子模块、千兆网子模块和POE子模块；列车以太网交换机安装在设备机箱内，其接口输出方向分别为面板和背板；百兆网子模块由两片各支持8路百兆网输出的以太网交换芯片级联组成，对外输出共计16路百兆以太网；其中面板有12路带POE功能的百兆网输出，用于连接车厢内部以太网设备以实现数据的交换转发；背板有4路百兆网输出，用于连接机箱内部其他以太网设备；千兆网子模块由上述级联的两片以太网交换芯片提供，共计对外输出3路千兆以太网且均为面板方向；其中两口用于连接前后相邻车厢的交换机千兆网口，另外一口用于连接间隔车厢的交换机千兆网口，在车厢内部形成了一条环网，避免交换机单点故障造成整个通信网络瘫痪；POE子模块由与主控制模块进行通信的数字接口和控制POE供电输出的高压以太网接口两部分组成，提供12路满足IEEE802.3at标准的以太网供电输出；数字接口提供一个1MHz的I²C接口，实现主控制模块通过I²C接口对POE子模块进行寄存器配置或查询端口读数的功能；高压以太网接口部分用于连接受电设备，并在POE供电过程中完成对受电设备检测、分类、供电和断电；基于ARM+FPGA架构的列车以太网交换机运行方式如下：设备上电后主控制模块负责系统的初始化、对以太网交换模块寄存器进行配置管理以及运行上层应用程序；以太网交换模块的百兆网子模块和千兆网子模块负责大量网络数据的转发，POE子模块完成以太网用电设备检测、分级和监控供电；各功能模块协调工作，构成了完整的交换机系统。