基于IP1810 的矿用千兆光端机设计

姚超修

（天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

目前煤矿信息传输网络多以光纤、信号线缆等有线传输为主，WIFI、4G 等无线传输网络为辅[1]。矿用光端机是煤矿信息传输网络中应用较多的信息传输设备，为矿井监测监控分站、网络摄像头、执行器等终端设备提供数据传输、交换通道。光端机的上传接口可接入矿井工业以太环网，或者利用光端机组成信息传输专用网络直接将数据上传。一般井下光端机设备传输带宽为百兆，随着井下接入系统及设备的增加，特别是视频流量的增多，百兆带宽使用接近饱和[2-3]。鉴于此，本文设计了一种传输带宽高、接口数量多、接口种类丰富的千兆光端机，满足井下多业务、高带宽信息传输的需求。

1 硬件设计实现

本文设计光端机主要由IP1810 核心芯片、AR8033 千兆以太网PHY 模块、总线接口转换模块以及系统运行必须的电源、时钟、复位等模块构成。IP1810 为10 口交换机芯片，芯片内置8个10/100Mbps 以 太 网 口、2 个10/100/1000Mbps RGMII 口。AR8033 为千兆以太网PHY 芯片，采用RGMII 接口与MAC 芯片进行通信，同时内置并行转换器，可直接连接到光纤收发模块。设计光端机系统结构如图1 所示。

图1 光端机硬件结构

1.1 IP1810 交换机芯片

本文设计光端机以IP1810 交换芯片为核心，从该芯片扩展出2 个10/100/1000Mbps RGMII 接口和8 个百兆以太网口[4]。其主要功能为：

（1）芯片内部嵌入4Mb SRAM，用于数据包缓冲，提供了多种2 线接口，例如CPU 接口、EEPROM 接口和SMI 接口，允许用户通过以上接口访问芯片内控制寄存器、EEPROM 数据以及外部PHY 的寄存器。

（2） 具 有 用 于802.1Q VLAN 的4k 条 目，为VLAN 成员提供了更高的安全性，并支持独立VLAN 学习和共享VLAN 学习。

（3）为满足各种网络应用，芯片支持风暴控制、带宽速率控制、输出队列功能等。

IP1810 交换芯片共输出10 路以太网接口，其中P1～P6 口输出为以太网电口。为了方便煤矿现场RS485 或CAN 总线设备的接入，光端机提供了4 路RS485 或CAN 总线接口，通过P1～P1 口经RS485/CAN 联网模块转换而来。P7～P8 口输出标准的百兆以太网光口，Port9 和Port10 口通过AR8033芯片转换后，经过千兆光模块输出千兆以太网光口。交换机芯片上FXSD 引脚为光信号检测接口，若将该信号接口接地，则对应接口为电口，若将该接口连接光模块的光信号接口，则对应接口为光口。本文设计将FXSD7 和FXSD8 接到光模块相应接口，控制P7、P8 输出为100Mbps 光口。

1.2 AR8033 千兆以太网PHY 芯片

AR8033 是Atheros 公 司 的 第4 代10/100/1000Mbps 速率以太网PHY 芯片[5]，该芯片采用RGMII 协议与交换机芯片进行通信。AR8033应用原理图如下图2 所示。

图2 AR8033 应用原理图

RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是GMII 的简化版本，将接口信号线由24 个减少为12 个，TXD 和RXD 需利用4 条数据线，外加其他时钟、冲突检测、载波监听等信号线。IP1810 芯片上Port9 和Port10 口为RGMII 信号接口，其中Port9 口信号对应引脚为P84～P95，Port10 口信号对应引脚为P114～P119、P122～P127，另外还有P100 和P101 引脚为MDIO 和MDC 串行管理总线接口，可对PHY 芯片进行配置及管理。

AR8033 芯 片P27～P28、P30～P39 引 脚 为RGMII 接口，与交换机芯片相应引脚连接。P42、P43、P45～P46 为差分信号的发送和接收，其速率为1.25Gbps，直接连接SFP 光模块的对应引脚。ARP8033 的收发信号可直接与光模块相连，即直流耦合方式。但本设计中在信号线上加入了0.1μF电容，采用了交流耦合的方式，可滤除信号线上的大部分噪声，增加了信号接口的EMC 性能[6]。

2 千兆光口吞吐量测试

按图3 所示连接，对光端机的千兆光口吞吐量进行了测试。图中光端机的P9 和P10 千兆光口分别连接千兆交换机的千兆光口，千兆交换机的千兆电口连接计算机千兆网卡，两台计算机上分别运行网络吞吐量测试软件Ixia Chariot 进行吞吐量的测试。

图3 光端机带宽测试连接图

图4 光端机吞吐量测试结果

测试结果如图4，图中数据上行和下行的吞吐量均为700Mbps 左右，总吞吐量为1300 Mbps 左右，达到了千兆的传输速率。

3 结语

分析了矿用光端机在矿井传输网络中的拓扑位置，介绍了一种矿用高带宽千兆光端机的设计方法，光端机中的数据交换核心为IP1810 芯片，输出2 路千兆光口、2 路百兆光口、2 路百兆电口及转换出4路总线接口。实际测试结果表明，在全双工模式下，光端机的千兆光口吞吐量测试达到了1300Mbps，具有良好的应用效果。