HMI显示屏的以太网硬件电路设计_刘高尚.pdf

年第期 显示屏的以太网硬件电路设计刘高尚，欧阳旭阳，苗仲海（苏州长风航空电子有限公司，苏州 ）摘要：针对城市地铁通信网络发展需求，设计了基于 平台网络系统人机交互显示屏的硬件电路。本文重点阐述了百兆以太网硬件电路总体架构、百兆以太网硬件电路设计和以太网一致性测试。测试结果表明，硬件电路完全符合以太网一致性测试的指标，且设计的以太网硬件电路具有良好的可靠性和较高的实际应用价值。关键词：；以太网硬件电路中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言随着很多城市大力投资建设地铁，地铁网络通信技术快速发展，且逐渐由以太网技术替代 技术，该技术实现了信号传输速率提升和从封闭式向开放式变化。随着以太网技术逐渐成熟和完善，以太网通信设备越来越多。以太网具有实时性强、成本低和带宽高等优点，近年来在城市地铁网络 显示屏中扮演着重要的角色。常用的以太网有十兆、百兆、千兆种速率，逐渐被广泛应用到城市地铁网络系统 显示屏中。本文基于 平台设计百兆以太网硬件电路总体架构以及硬件电路。为了保证以太网硬件电路符合要求，深入研究了以太网一致性测试。测试结果表明，基于 平台设计的以太网硬件电路完全满足以太网测试指标，且具有良好的可靠性和较高实际使用价值。以太网硬件设计方案早期 显示屏设计基于 架构。架构功耗较高，主板 必须增加散热扇；性能受工作环境影响大，如 工作温度为 且需要人员长期维护；成本较高，灵活性和可靠性比较低。而 架构与 架构相比，具有功耗低、无风扇、性能稳定可靠、成本低、灵活性和可靠性高等优势，故被广泛应用于工业领域。根据 显示屏技术需求，其主要应用在工业领域，工作环境为 ，功耗不高于，不能采用风扇散热，只能采用机壳散热，在提高性能的同时并不增加成本，故 显示屏采用 架构实现硬件电路设计。常用的以太网有种速率，且支持 、和 等模式。而 是简化的 千兆接口，不仅减少信号线便于 布线，而且同时兼容 所规定的十兆和百兆工作方式，故基于 架构设计的百兆以太网硬件电路采用 模式。处理器内部集成 控制器相关引脚，与以太网芯片的物理层相连接，为了增强传输距离和抗干扰能力，在以太网和接口之间加入信号变压器和共模电感，外部参考时钟采用 晶振。具体 架构的以太网详细设计原理框图如图所示。硬件电路设计与实现 主要硬件选型根据图设计的以太网架框图，同时结合功耗、使用敬请登录网站在线投稿（）年第期 图以太网整体设计原理框图环境、成本、性能等综合考虑，系统处理器选用飞思卡尔（已被 收购）的 。该处理器有个核心，每个核心频率高达 ，且支持 、和 模式的以太网，同时支持 、和 速率的全双工模式，且处理器集成了丰富的外围接口。以太网芯片选择 公司的 芯片。该芯片是一款完全集成 、和 三速的以太网物理层收发器，支持 和 寄存器 配 置 的 管 理 接 口。支 持 接口，可直接无缝连接到千兆以太网处理器中的 和交换机，并以 的速度传输数据。显示屏以太网数据传输速率为 ，芯片中 以太网（）接收功能执行 到 转换、到 转换、去扰码、解码和串并转换，传输功能过程相反。以太网部分电路设计以太网电路设计如图所示。百兆以太网电路设计采用 模 式，故 芯 片 支 持 配 置 引 脚 ：，配置为 的 模式。由于 模式 ：引脚上电和复位锁定为高电平，因此引脚 ：采用上拉。为了实现信号的传输和控制，芯片和处理器之间信号连接包括 发送时钟 和接收时钟 、发送使能 和接收使能 、发送数据 ：和接收送数据 ：、供 使用的参考时钟信号、寄存器配置的 管理接口以及中断信号 。复位引脚采用 复位和软件复位两种，其 复位是上电供以太网芯片复位，软件复位是采用复位引脚连接处理器的 口实现软件控制复位。芯片的 模式分为单色和三色，本设计采用单色 模式，需要对配置引脚 采用上拉。以太网通信时需要指示灯显示传输状态，需要配置引脚 ：，采用上拉是为了显示正常通信时发光二极管 一直常亮，采用下拉是为了显示正常通信时发光二极管 不停闪烁。本系统采用百兆速率，由于无源晶振受温度和板内的寄生参数影响比较大，因此外部参考时钟采用 有源晶振，精度稳定在 。为了增强传输距离、电气可靠性和抗干扰能力，首先在以太网芯片和接口之间采用 公司信号变压器，将百兆网络接口的两路差分传输信号进行隔离；其次采用 公司的 二极管并联两路差分传输信号，用于信号线路的浪涌保护；最后使用个共模电感串联在信号变压器和接口之间的两路差分传输线上，抑制高频共模噪声和向外发出电磁干扰。芯片每个电源引脚都采用 电容进行滤波。图以太网电路设计 年第期 电源电路设计本系统的 电压由电源模块供给。根据 芯片中要用到、和 三种不同的电源供电，因此，选用 公司的 电源芯片 实现 到和 电源转换。供外围电路和 芯片模拟电源使用；供 电源芯片 和最小系统的电源使用，用来产生 和 电压给芯片 供电。电源电路设计如图所示。图电源部分电路 电路板测试对设计完成网络系统 显示屏的硬件电路进行 布线、贴片等加工制作。对加工制作完成的实物检查无漏焊、焊错和器件损坏等问题后，测试各个电源的阻抗确认无短路现象。上电烧录文件系统并测试各个电压纹波和实际值，测试得出纹波满足小于和测试电压等于设计值。具体测试数据如表所列。表以太网电源质量电压类型设计值测量电压纹波 （）结果 （）（）（）通过 命令实现以太网与 端之间通信，通信过程丢包率为。具体测试数据如图所示。图网络连接测试 以太网一致性测试 以太网传输信号特征 显示屏应用于地铁网络通信，地铁上电磁环境更加复杂，以太网传输过程干扰因素更多。在复杂电磁环境中为了保证 显示屏网络通信传输质量，需要对以太网硬件电路进行一致性测试。依据 以太网标准，以太网测试需要在强制 全双工通信模式敬请登录网站在线投稿（）年第期 下进行，故需要对 端进行设置，然后对 的差分信号正负输出电平、振幅对称、过冲、上升下降时间、占空比失真、抖动和眼图进行测试。具体以太网一致性的差分信号指标如表所列。表以太网一致性测试指标参数指标差分信号正负输出电平 输出电压振幅对称 差分信号正负波形过冲正负波形上升与下降时间 正负波形最大升降时间差 占空比失真 正负波形峰值抖动 测试平台搭建以太网 测试，需要测试电路板发送的波形。测试时将被测电路板与 示波器、直流电源、端、测试夹具、网线等设备组成传输系统。具体测试架构如图所示。图测试架构示意图 测试结果与分析根据测试架构示意图搭建测试平台进行测试。具体以太网一致性测试结果如图所示，数据如表所列。图以太网一致性测试眼图表以太网一致性测试结果参数测试指标结果差分正输出电平 差分负输出电平 信号振幅对称性 差分正波形过冲差分负波形过冲 正波形上升时间 正波形下降时间 正波形最大升降时差 负波形上升时间 负波形下降时间 负波的最大升降时差 占空比失真 正波形峰值抖动 负波形峰值抖动 由图和表可知，设计的百兆以太网硬件电路相关的测试指标完全满足要求。采用 编码，信号有个电平，会有两个眼图结果。从结果可以看出，眼图具有很细的眼迹线和清晰眼图轮廓以及未触 模板，说明具有很小系统噪声和码间干扰。从表中可以看出，以太网驱动能力较好，系统抖动较小。相关测试结果表明，设计的以太网电路具有良好的信号质量、传输性能良好。结语本文基于 平台设计了 显示屏的以太网硬件电路，通过相关测试对设计的硬件电路进行验证和分析。本文设计的以太网硬件电路已经应用到实际中，且在城市地铁通信中具有一定的市场应用价值和广阔前景。参考文献孔元，李元轩，黄志平，等列车以太网物理层一致性测试的应用 铁道机车车辆，（）：，罗勇 基于 与 的机车 监 控 设 备 的 设 计 与 实 现 长沙：湖南大学，霍卫涛，王宏亮，金鹏飞 以太网 芯片中百兆收发电路设计与实现 信息通信，（）：梁展 基于以太网的联网型数字可视对讲系统的硬件设计 昆明：昆明理工大学，百兆以太网测试及其诱导发包设置 国外电子测量技术，（）：杨洋，韩璐，沈小青，等 以太网物理层一致性测试技术研究计算机测量与控制，（）：，常冬冬 以太网物理层一致性测试及故障预诊断研究 成都：电子科技大学，刘高尚（工程师），主要研究方向为嵌入式软件；欧阳旭阳（工程师），主要研究方向为轨道显示技术；苗仲海（高级工程师），主要研究方向为轨道显示技术。通信作者：刘高尚，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）