星载局域网的千兆光以太网卡设计

以太网 星载

航 天 器 工 程第%"#$%& '"$%&卷 第%期 !

&)*+,-,.+/0-'12'--.2'13445年%月(

星载局域网的千兆光以太网卡设计

张利彬 刘 泳 申景诗

山东航天电子技术研究所 山东烟台 3 6(444

摘 要 星载局域网可以满足空间站等复杂航天器系统高速 海量传输数据的需要 采用光纤以太网作为星载局域网具有多方面的优势 为了以光信号在以太网上传输星载设备间的数据 航天器需要配置相应的光以太网卡 文章介绍了光以太网卡的硬件设计原理 器件选用 印制电路板设计及其测试方法

关键词 航天器 千兆光以太网卡 系统7层包接口 光模块

中图分类号 0'55% 文献标志码 + 文章编号 %6879&8(&34454%944(&94:

!"#$&'()*"+$,-$).$-"/0)*"/&")12,)"/('/4,5"-'/&"617%%33

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EGNKNOGLI@KKHEGO"O>GIKL>?KO-IFKO@KIG9IOG@EQ>IHGIG>@"I>NG#E>@G#"@EGNK?"O@K=+' MMMMMCM HGIKO$-GNFGEKNI"LL>?KO-IFKO@KIGHGIKOHKE>@>E>@IO"HJNKH>@HKIG>#>@IF>EMGKO>@N#J9MMMCM

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8"'/2#EGNKNOGLIEGNK?"O@K=+' 2V/%%4()*297>@IKOLGNK>G?>IL>?KO-IFKO@KIGHGIKOMMCCM9:IOG@ENK>RKO

航天器星载接口业务 ,,)X))GNKNOGLIY@?"GOHM 工作组推荐的星载总线和2@IKOLGNK)KOR>NKE)Y2)局域网有%控制器局域网 ::7U ,"@IO"##KO+OKG

星载总线是将航天器的星载设备连接起来实现数据传输的技术 简化了星载设备间的连接 方便了星载局域网是总线的扩展 它将设备间的数据传输

星上各功能模块有机地连接起来 实现星上大容量的信息交换 处理 传输和共享 实时地完成星上运行的管理 测量 控制和任务调度等 并且有网络协议的支持 实现的业务也要丰富得多 更适用于空间站等复杂航天器系统 空间数据系统咨询委员会

以太网'KIT"OZ ,+' )GNK[>OK2---%75( M

%

-IFKO@KI

目前 航天器应用的星载总线主要是%::7U和

97

然而 随着航天器任务的多样性和复杂,+'3

现有星载总线的传输速率已经难以满程度的提高

(

足航天器高速 海量传输数据的要求 因此 在大

% 引言

型 复杂航天器系统中采用星载局域网技术是发展的趋势

可靠性高 最高数据率可2---%75(实时性好

收稿日期 344&947948修回日期 344&9%%9%:

基金项目 国防科工委民用航天预先研究项目 空间数据系统体系结构及应用研究 项目编号U%%34464735作者简介 张利彬 男 硕士研究生 主要研究方向为航天器电子与信息系统 %5&%W

以太网 星载

达7$*"并且可以使用光纤传输"是有望替代31?>IE十%::7U的最热门的总线技术'但是其特定距离!

多米#内的树形拓扑决定了它不适合作为航天器的主干网络'另外"2---%75(在航天器上刚刚应用"其高速技术实现&可靠性和容错策略&运行网络协议

:)

')的能力等还需重点研究(GNK[>OK是欧洲航天M

置网卡上的\+,芯片'控制接口的位宽可以根据

需要选择&位&%6位或73位

'

局!为航天应用而设计的一种高速&可升级&低-)+#低成本的串行总线'它采用点对点&全双工的功耗&

通信方式"也可通过路由开关形成大的通信网络"网络拓扑具有很高的自由度'不过")MGNK[>OK尚处于发展初期"技术不够成熟"元器件比较少"传输介质和传输速率也不具有明显优势'与上述技术相比"

以太网不仅传输速率高&通信容量大"而且具有成熟的技术&丰富的配套产品和广泛的应用基础"并且仍在不断地向前发展'

航天器星载局域网采用以太网技术"可以利用以太网传输速率高&

通信容量大的优点'并且"光纤作为传输介质可以发挥其质量轻&无电磁干扰的优势'航天器的星载设备众多"采用光纤以太网传输信号就需要配置相应的光以太网卡'

本设计研制了一个四通道&全双工的千兆位以太网!1>CG?>I-IFKO@KI"1U-#光网卡!以下简称光网卡#"单个通道可以达到%1?>I*E的带宽'光网卡输出波长为&:4@Q的激光信号"在:4*%3:

Q多模光纤中最远可传输:44Q'

光网卡的设计

以太网标准规定了以太网网卡需要的两种接口器件"即媒体访问控制器!\KH>G+NNKEE,"@IO"##KO"\+,#和物理层收发器!*FPE>NG#=GP

KO"*<B#'\+,是一种纯数字器件"负责数据流的同步处理'<B是一种数字模拟混合器件"

负责实现以太网数据在特定介质上!如双绞线#传输的物理电平之间的相互转换'网卡仅负责物理层数据传输"网络协议由上层设备完成'

光网卡由\+,芯片&数字信号处理器!X>C

>IG#>C

@G#*O"NKEE"O"X)*#芯片和光模块!0OG@ENK>RKO#组成"如图%所示'上层设备与光网卡之间通过系统7层包接口!)PEIKQ*GNZKI2@IKOLGNK=KRK#7"*297

#连接"实现高速数据流的传输'光网卡可以与任何能实现)*297接口的控制器连接"因此它也可用在其他高速数据传输或采集系统中'除了*297数据接口"

光网卡还提供了控制接口"用于配图% 光网卡框图

/>C$% U#"NZH>GCOGQ"L1>C

G?>I/>?KO-IFKO@KI+HGM

IKO<= >1?芯片

设计中"光网卡采用了2@IK#公司的\+,芯片

V/%%4('2V/%%4(是一个四通道&全双工的千兆以太网控制器"带有工业标准的)*297接口"每个通道都有%4Z的发送缓冲区和73Z的接收缓冲区'四个通道不必全部采用"可以根据需要选用若干通道'该芯片可以通过吉比特以太网独立于介质的接口!1>CG?>I9-IFKO@KI\KH>G2@HKM

K@HK@I2@IKOLGNK"1\22#与*<B芯片连接"也可以通过)KOXKE!)KO>9#>]KO*XKEKO>G#>]KO#接口与光模块直接相连"而无需使用*<B'本设计中"采用的是)KOXKE接口与光模块直接相连"因此设计中没有出现*<B'2V/%%4(芯片内部集成了联合测试行为组织!D">@I0KEI+NI>"@1O"JM"D0+1#的边界扫描电路"符合2---%%(5$%标准"方便了光网卡的测试'<; 4..光模块

用于光电转换的设备有两类$光纤收发器!0OG@EM"@HKO#和光模块!0OG@ENK>RKO#'0OG@EM

"@9KO具有光电互转换&

时钟提取和同步&复用*解复用&&U*%4U编解码等功能%0OG@ENK>RKO仅完成光电互转换"其他功能由外围电路实现'相比于0OG@9

M

"@HKO"0OG@ENK>RKO体积小&质量轻&可靠性高&应用更灵活(6)

'本设计中采用0OG@ENK>RKO

'0OG@ENK>RKO分为千兆接口转换器!1>C

G?>I2@9KOLGNK,"@RKOIKO"1U2,#&小封装光模块!)QG##"OQ/GNI"O")//#&小封装可插式光模块!)QG##"OQ/GNI"O*#JCC

G?#K")/*#等多种"主要的差别是在传输速率和外形上')//光模块采用管脚焊接固定"可使其在板卡上固定得很牢固'本设计中选用的光模块是/>@>EGO公司的&:%5/31'='它是

;2G;HE3*)))I//

以太网 星载

一款3^:管脚的)采用&//光模块":4@Q激光发射器"激光信号在:*4%3:Q多模光纤中可以传输 在6*:44Q"3$:%3:Q多模光纤中可以传输744Q' 该)//光模块提供长距离光纤连接器!="@"@9C,

"接口"可以方便&牢固地连接到光纤'@KNI"O=,#

采用的光模块不同"与2V/%%4(的电路连接方法也不同'如图3所示"本设计中)//光模块与2V/%%4()KOXKE接口的部分电路连接

'

图3 \+,芯片与光模块的电路连接示意图/>$3 ,>ONJ>I"L\+,G@HIOG@ENK>RKOC

;<@ 4ABC@接口

系统7层包接口!)EIKQ*GNZKI2@IKOLGNK=KR9P#是一种工业标准的数据接口协议"广泛K#7")*297

)89&

应用于以太网接口设计(')*297包括独立的发送和接收接口"其单向数据总线宽度均可以达到73位"运行频率可以达到%'相比其他接口协77\<]议"没有复杂的控制时序)*297接口协议相对简单"可以达到很高的数据带宽"在/和协议"*1+上实现也比较方便'参考文献(是关于该协议的具体&)介绍'

光网卡可以用高速连接器件!如)来+\0-,#实现)*297接口的物理连接'如图7所示"

每组:分别用于)+\0-,连接器分三组"4个引脚"#&接收!及控制接口的信号'该)*297发送!0_._#

连接器的传输阻抗为:能够传输%444\<]以上 "的数据流'另外"该连接器中间的长条形金属片!图中未标出#分别连接到网卡的电源和地上"不仅可以为网卡提供电源"还可以有效地降低接插件各引脚之间的串扰'

;<D 控制接口

包括全局\+,芯片2V/%%4(有很多寄存器"收发缓冲区控制寄存器和以太配置和控制寄存器&

网收发统计寄存器等'为了使\+,芯片正常工

作"必须通过其控制接口正确地初始化这些寄存器'2V/%%4(的控制接口是一种简单的可选位宽的总线接口"可选位宽包括&位&通过位

宽%6位和73位"

图7 )+\0-,连接器及)*297接口/>$7 )+\0-,N"@@KNI"OG@H)*297>@IKOLGNKC

控制引脚!#来完成'如果采用J*_+[>IF(%$4)则受连接器引脚数量的限制"不)+\0-,连接器"

能使用73位总线宽度'

控制接口可以用/*1+&,*=X或微处理器来驱动"本设计采用X)*完成对2V/%%4(芯片的配置'该控制接口不参与以太网数据包的收发"仅用来设置和读取寄存器的数据'

;<E 网络协议的实现

由于光网卡仅负责物理层数据传输"网络协议是由光网卡的上层设备完成的'即数据源发出的数据经相应的设备转化成以太网数据包后"再由)*29网络协议实现不是光网7接口进入光网卡'因此"卡的工作内容'

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上述两个等式均为近似公式 但对绝大多数数

7 *,U的设计

连接)KOXKE接口与)//光模块高速串行数据线必须是:并且应做成带状4 特性阻抗的传输线

5

图(标出一种带状线传线或微带传输线的结构

字设计工作来说已经足够了 理论上 带状线的传输性能更好一些 但由于工艺的限制 实际中更多地采用微带传输线结构

( 光网卡的测试

光网卡测试步骤主要包括D控0+1边界扫描 制接口测试和回环测试 D0+1边界扫描主要用来输线 在这种情况下 信号是在印刷电路极 *O>@9 两个等距的交流地平面之间*,U IKH,>ONJIU"GOH

的介质夹层中传送的 带状线的阻抗由*,U材料介电常数 电介质厚度 传输线宽度 及铜传输线厚度 等决定 带状线的线性阻抗可用等式 %

计算

图( 带状线示意图/>C$( )ZKINFQGM"L)IO>M

#>@K Y

@ 4 68 4 &

% 图:描述了微带传输线的尺寸 在这种情况

下 传输线在顶部是暴露在空气中的 底部在*,U上 地或电源层则位于*,U内层 微带线的阻抗由,U板材料的介电常数 介质厚度 传输线宽度 及铜传输线厚度 等决定 微带传输线的特性阻抗可用等式 3

计算 图: 微带传输线示意图/>C$: )ZKINFQGM"L\>NO"EIO>M

E Y

@

3

% (4 &

检测电气连接

即检测在焊接过程中可能造成的电路短路 开路等错误 控制接口测试是保证光网卡控制总线正常运行

并且能正确配置光网卡的工作模式 回环测试主要是通过循环收发数据来测试光网卡的工作性能

D<= FG1+边界扫描

光网卡上的\+,芯片采用U1+封装的形式 并使用了&层印制电路板 传统的电气连接性检测方法 如针床测试 自动光学检测等 不再适用 因此 这里采用D0+1边界扫描方式来检测芯片的电气连接性

D0+1对芯片进行测试的基本原理是

在器件内部定义一个测试访问口 0KEI+NNKEE*"OI

0+* 通过专用的测试工具对内部节点进行测试 详细原理可见参考文献 %4 D0+1边界扫描是通过边界扫描控制头和集成在芯片内部的边界扫描电路一起来完成对整个电路板的电路检测 该检测方法能覆盖光网卡的大部分信号线 并且所花的时间很短 小于%Q>@

D<; 控制接口检测

控制接口检测是通过X)*编程 对\+,芯片

上的寄存器进行读写比较来完成的 检测时 数据和地址总线的每一位都被测试 检测结束后 初始化光网卡 为回环测试做准备

D<@ 回环测试

回环测试的结构如图6 /*1+模仿数据源 完成对光网卡的测试 测试时 +端的/*1+发送数据 网卡接收数据 并将其送进光模块 电信号转变成光信号 光信号经过光纤传输 到达U端 光信号首先由光模块转化成电信号 /*1+收到此测试数据 然后转发回去 经历上述过程 +端的/*1+

把收到的数据与返回来的数据进行对比 以检测收到的数据是否有错 循环若干次这样的测试 以检

查光网卡工作的稳定性

此外 还可以采用另一种回环测试方法 8

将

*

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W6

一百万次回环测试中 错误率低于% 本设计中4

图6中的U端用一个千兆以太网交换机和电脑代替 在一个测试周期内 由电脑发出一个回环测试包 网卡收到该测试包 并由/*1+读取 /*1+判断该包是否为回环测试包 按照预设的方式对回环测试包做一定处理并回发到网卡 数据经过光电电脑接收到该测试包 并分析接块由光纤传输出去

收的数据与它发送的数据是否一致

的光网卡是一个基于\+,芯片2V/%%4(和)//光模块的四通道 全双工千兆以太网卡 千兆位的传输速率完全可满足复杂航天器系统的应用 相比地面常用的以太网卡 它具有以下特点

: 结束语

大量测试表明 光网卡的工作性能稳定 在连续

图6 光网卡的回环测试

/>$6 =""KEI"L1>G?>I/>?KO-IFKO@KI+HGIKOCMICM

采用)*297接口协议实现与外部设备的通 %

信 )*297接口不仅提供较高的运行频率和较宽的而且协议和控制时序的实现简单 有利于总线宽度

减少出错概率 提高数据传输的稳定性

采用高速连接器件与设备直接相连 常见的3

地面网卡以*不仅占用设备内部空,2接口为主 间 增大设备体积 且难以满足航天器振动实验的要求 高速连接器可以将网卡作为独立模块连接于设备之外 不仅有助于减小设备体积 而且连接牢固 标准化的连接方式还便于光网卡的批量生产及安装 有利于在航天器上大量使用

支持多通道 这样可以将若干通道作为备份7使用 提高了设备的可靠性

综上可知 本设计考虑了航天的应用特点 在地面以太网卡的基础上做了重新设计和验证 今后 可在此基础上 进一步研究提高光网卡性能及可靠性的方法和技术

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编辑 张小琳

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/35c1.html