基于VPX和CTC7132的全國產(chǎn)可擴(kuò)展交換板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常 琦,魏曉磊,茅智星,潘純娣,楊 惠,王 粵

(1.火箭軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100085； 2.中國電子科技集團(tuán) 第15研究所,北京 100083)

0 引言

目前，云時(shí)代和物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，云計(jì)算、邊緣計(jì)算技術(shù)飛速演進(jìn)，滿足交換節(jié)點(diǎn)接入時(shí)更大表項(xiàng)、更低時(shí)延、更靈活流水線需求的新一代交換機(jī)研制迫在眉睫。新一代交換機(jī)需要具有線速的增強(qiáng)特性能力和更高的集成度，更好服務(wù)于邊緣的多業(yè)務(wù)接入場景，滿足網(wǎng)絡(luò)未知、業(yè)務(wù)需求不斷融合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢[1]。

從國家層面看，網(wǎng)絡(luò)信息已經(jīng)成為一種重要的戰(zhàn)略資源，信息安全直接決定軍事行動(dòng)的成敗[2]。目前交換機(jī)大部分以國外產(chǎn)品或芯片為主導(dǎo)，存在極大的安全隱患，而且很多交換機(jī)產(chǎn)品無法適應(yīng)軍用現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境和惡劣的溫度環(huán)境。目前國家確立了基于國產(chǎn)軟硬件的自主可控發(fā)展戰(zhàn)略，在政策的引導(dǎo)下，國產(chǎn)處理器、交換芯片、電源模塊、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟硬件得到飛速發(fā)展，全國化的生態(tài)體系已經(jīng)越來越完善。

基于技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，結(jié)合現(xiàn)階段軍用指控系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換性能和安全方面的要求，研發(fā)了一款基于CTC7132交換芯片和VPX 體系架構(gòu)的可擴(kuò)展交換板。該交換板的所有軟硬件均采用國產(chǎn)化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了從芯片到硬件再到系統(tǒng)的完全自主可控。交換板將所有交換和控制資源展現(xiàn)給機(jī)箱，機(jī)箱可根據(jù)實(shí)際使用需求裁剪網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)量、形式、速率。該交換機(jī)能適應(yīng)-40～+60 ℃高低溫環(huán)境，抗電磁干擾性強(qiáng)。本文詳細(xì)描述了交換板的總體架構(gòu)、各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)并仿真，對(duì)功能、性能、環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，為高性能自主可控交換平臺(tái)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供了高價(jià)值的參考依據(jù)。

1 交換板總體設(shè)計(jì)

VPX總線是是新一代高速串行總線，采用時(shí)鐘打包和時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)、信號(hào)的預(yù)加重和均衡處理技術(shù)，成功解決了時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的偏移和抖動(dòng)問題；采用低壓差分電平的傳輸協(xié)議，大大減小了總線位寬，規(guī)避了并行總線的缺點(diǎn)，降低了系統(tǒng)成本，是目前最具潛力的總線技術(shù)[3]。VPX標(biāo)準(zhǔn)定義了模塊結(jié)構(gòu)、連接器、散熱、通信協(xié)議、電源定義，能夠提高模塊間的互操作能力，保證多個(gè)廠家產(chǎn)品可彼此兼容，并較好地支持系統(tǒng)升級(jí)換代[4]。本文設(shè)計(jì)的交換板采用3U VPX板卡形式，適合任何一款3U結(jié)構(gòu)形式的VPX設(shè)備機(jī)箱(交換槽接口協(xié)議需一致)，即插即用，避免了外接交換機(jī)設(shè)備繁雜的線纜數(shù)量和龐大的系統(tǒng)體積。

盛科是目前少數(shù)能夠提供從高性能以太網(wǎng)設(shè)備核心芯片到 SDN 交換平臺(tái)全套解決方案，且擁有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新公司[5]。CTC7132芯片是盛科推出的第六代核心交換芯片，芯片支持L2/L3層交換，提供MPLS、VXLAN特性，集成ARM雙核A53處理器，支持最高I/O帶寬可達(dá)440 Gbps，支持QSGMII和USXGMII等端口形態(tài)，提供從100 M～100 G的全速率端口能力[6]。本設(shè)計(jì)考慮到軍用設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換性能和安全方面的要求，選用盛科公司的CTC7132芯片。

考慮到交換芯片的功耗高，散熱要求嚴(yán)格，同時(shí)為了便于系統(tǒng)的后續(xù)升級(jí)換代，同時(shí)提高交換板的可擴(kuò)展性，將交換板設(shè)計(jì)為底板搭載核心板的形式。交換板總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，由CTC7132最小系統(tǒng)核心板(核心板)和接口擴(kuò)展底板(底板)組成，最小系統(tǒng)核心板是一塊87 mm*80 mm的小板，接口擴(kuò)展底板采用3U VPX標(biāo)準(zhǔn)形式，兩個(gè)板卡通過板間高密連接器互聯(lián)。本設(shè)計(jì)首次提出CTC7132最小系統(tǒng)的概念，即配置CTC7132芯片必須的輔助電路(如時(shí)鐘電路、電源電路、存儲(chǔ)電路等)，利用最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息交換的核心功能[7]。最小系統(tǒng)核心板一方面完成整個(gè)交換系統(tǒng)的初始化、協(xié)議處理、配置管理和維護(hù)等功能；另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的功能，對(duì)外提供32路高速SerDes Lanes。利用2對(duì)板間連接器，將CTC7132芯片的所有網(wǎng)絡(luò)交換信號(hào)、控制及管理信號(hào)、GPIO信號(hào)等全部資源引出來。CTC7132最小系統(tǒng)核心板是交換板實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息交換功能的核心單元，接口擴(kuò)展底板是交換板可擴(kuò)展特性的具體展現(xiàn)形式。接口擴(kuò)展底板根據(jù)機(jī)箱的實(shí)際使用需求，利用核心板引出來的資源，靈活配置網(wǎng)絡(luò)端口的形式、數(shù)量、速率。接口擴(kuò)展底板還提供智能平臺(tái)管理控制(IPMC)功能，對(duì)板卡進(jìn)行健康管理，同時(shí)通過VPX MultiGig RT2 連接器將機(jī)箱所需的SerDes高速串行交換接口和控制資源分派到背板各槽位。

這樣設(shè)計(jì)的好處是將網(wǎng)絡(luò)信息交換功能聚焦在核心板上，便于系統(tǒng)的升級(jí)換代；采用雙層板結(jié)構(gòu)，有利于散熱；底板根據(jù)機(jī)箱所需的網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，合理裁剪CTC7132資源，降低功耗，同時(shí)降低二次開發(fā)時(shí)間和成本，提高了板卡的復(fù)用率。

圖1 板卡總體設(shè)計(jì)方案

2 交換板硬件設(shè)計(jì)

2.1 CTC7132最小系統(tǒng)核心板設(shè)計(jì)

CTC7132最小系統(tǒng)核心板(簡稱核心板)配置CTC7132芯片工作必須的輔助電路，結(jié)合驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換核心功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)交換板的初始化、協(xié)議處理、配置管理和維護(hù)等功能。

CTC7132最小系統(tǒng)核心板由CTC7132芯片、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、I2C總線模塊組成，如圖2所示。CTC7132芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換核心功能。存儲(chǔ)模塊保存系統(tǒng)程序、啟動(dòng)程序、操作系統(tǒng)等信息。時(shí)鐘模塊產(chǎn)生交換系統(tǒng)所需的時(shí)鐘。電源模塊產(chǎn)生CTC7132芯片需要的多種電壓。復(fù)位模塊在需要的時(shí)候?qū)φ麄€(gè)交換系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作。I2C模塊連接多個(gè)不同功能的I2C設(shè)備。

圖2 CTC7132最小系統(tǒng)核心板原理框圖

CTC7132芯片主要功能模塊分為兩大部分：CPU子系統(tǒng)和交換內(nèi)核[8]。CPU子系統(tǒng)內(nèi)置ARM雙核A53處理器，主頻最大支持1.2 GHz；集成16位DDR3、PCIE、QSPI、I2C、34路GPIO等接口；提供2路網(wǎng)絡(luò)帶外管理接口、2路以太網(wǎng)物理芯片(PHY芯片)管理接口(SMI接口)。交換內(nèi)核提供3組8路低速SerDes Lanes，速率為1.25～12.5 Gbps；2組4路高速SerDes Lanes，速率為1.25～28 Gbps；每路SerDes Lane都可以配置為SGMII/1000Base-X/QSGMII等模式[9]。CTC7132單芯片支持48x1 G/48x2.5 G/ 24x5 G下行，上行支持10 G/40 G/ 25 G/ 50 G/100 G 上聯(lián)，并可以使用 40 G/50 G/100 G 等任意速率進(jìn)行堆疊[10]。本設(shè)計(jì)將CPU子系統(tǒng)的所有接口以及交換內(nèi)核的32路SerDes Lanes都配置使用上。

圖3 AST4644I電壓轉(zhuǎn)換模塊原理圖

存儲(chǔ)模塊包括內(nèi)存和存儲(chǔ)單元。本設(shè)計(jì)中，CTC7132芯片外掛2顆DDR3 SDRAM作為內(nèi)存，總?cè)萘繛? 024 MB；通過SPI接口連接4 MB NORFlash，通過eMMC接口連接8 GB NandFlash，這三者供CTC7132芯片保存bootload程序、系統(tǒng)程序、操作系統(tǒng)等信息。系統(tǒng)上電時(shí)，CTC7132芯片從NORFlash把bootload文件裝入到內(nèi)存，CPU子系統(tǒng)執(zhí)行內(nèi)存里的bootload程序，將操作系統(tǒng)從NandFlash裝入到內(nèi)存里面，裝載完成后，bootload把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，CPU在內(nèi)存里執(zhí)行操作系統(tǒng)，執(zhí)行交換系統(tǒng)初始化指令，交換系統(tǒng)啟動(dòng)完成。

時(shí)鐘模塊產(chǎn)生核心板所需的時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)涉及到32.768 kHz、12 MHz、100 MHz、156.2 MHz、125 MHz等多種時(shí)鐘。PCIE總線要求的100 M時(shí)鐘輸入，對(duì)抖動(dòng)要求較高，選用寧波奧拉公司的國產(chǎn)PLL時(shí)鐘芯片AU5315來實(shí)現(xiàn)。AU5315芯片是可編程高性能去抖動(dòng)頻率合成器，支持四路差分或單端輸入，10路差分輸出或20路單端輸出，輸出時(shí)鐘RMS抖動(dòng)<150 fs。本設(shè)計(jì)采用48 MHz的單端時(shí)鐘作為輸入，通過編程實(shí)現(xiàn)需要的時(shí)鐘輸出，一片芯片解決所有的時(shí)鐘輸入問題。本設(shè)計(jì)還生成125 MHz的時(shí)鐘，引到底板上，供底板擴(kuò)展網(wǎng)口時(shí)PHY芯片選用。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，時(shí)鐘線路盡量靠近交換芯片的時(shí)鐘管腳，同時(shí)通過嚴(yán)格控制時(shí)鐘線路的電路阻抗，包地處理等技巧，減小干擾，提高時(shí)鐘線路的屏蔽性能[11]。

電源模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生CTC7132芯片需要的多種類電壓。根據(jù)芯片手冊(cè)提供的最大功耗數(shù)值預(yù)估核心板最大功耗為40 W，所以設(shè)計(jì)時(shí)輸入電壓為12 V，電流為5 A。對(duì)各種電壓的電流需求分析如表1所示，利用這些數(shù)據(jù)來指導(dǎo)電源芯片的選型，重點(diǎn)關(guān)注電源芯片在高溫下的降額指標(biāo)[12]。

表1 各電壓需求表

為了避免交叉干擾，同時(shí)保證核心板功能的完整性，核心板的電源和底板的電源進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)，兩者分別獨(dú)立工作，互不影響。VPX模塊P0連接器輸入的12 V電壓經(jīng)過濾波處理后，直接轉(zhuǎn)送給核心板，核心板將輸入的12 V電壓分別轉(zhuǎn)為3.3 V、1.8 V、1.5 V、1.2 V、0.9 V電壓供核心板使用。3.3 V、1.8 V、1.5 V、1.2 V電壓要求的最大電流都不超過4 A，選用AST4644I國產(chǎn)電源模塊實(shí)現(xiàn)這三路電壓的轉(zhuǎn)換。AST4644I是四通道 DC/DC 降壓型微型模塊穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍內(nèi)為4～14 V，輸出電壓范圍為0.6～5.5 V，自帶過壓、過流和過熱保護(hù)，每路輸出可提供 4 A 連續(xù)電流(5 A峰值)，輸出可通過并聯(lián)形成一個(gè)陣列以提供高達(dá)16 A的電流能力，原理設(shè)計(jì)如圖3所示。0.9 V電壓要求的最大電流約為39 A，采用AST4650I模塊合路輸出50 A來滿足設(shè)計(jì)要求。

轉(zhuǎn)換后的電壓輸入到CTC7132芯片內(nèi)部的時(shí)候，在靠近每種電壓的BGA輸入引腳處放置2.2 uF、0.47 uF、0.1 uF三種旁路電容，以此來消除高頻噪聲，保證電源信號(hào)完整性。

復(fù)位模塊為交換系統(tǒng)提供復(fù)位指示信號(hào)。系統(tǒng)采用看門狗復(fù)位電路作為系統(tǒng)的主復(fù)位，在板卡上電后，看門狗電路會(huì)給出一個(gè)200 ms的低電平復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)用來復(fù)位CPU和管理口PHY。接口擴(kuò)展底板的IPMC管理模塊(具體功能描述見3.2.3)也可對(duì)核心板進(jìn)行復(fù)位操作，IPMC管理模塊控制的復(fù)位信號(hào)與看門狗的WDG_OUT信號(hào)進(jìn)行“或”操作，然后送給看門狗電路，這兩個(gè)復(fù)位信號(hào)中的任何一個(gè)信號(hào)為低，均會(huì)導(dǎo)致交換系統(tǒng)復(fù)位啟動(dòng)。

I2C模塊連接多個(gè)不同功能的I2C器件。根據(jù)系統(tǒng)需要，CPU子系統(tǒng)下搭載了3個(gè)不同功能的I2C器件，包括溫度傳感器器件、E2PROM器件、GPIO接口擴(kuò)展芯片。3種器件的地址及具體功能如表2所示。

表2 I2C設(shè)備表

溫度傳感器實(shí)時(shí)采集CTC7132交換芯片附近的環(huán)境溫度，將溫度信息傳送給交換芯片的CPU子系統(tǒng)，當(dāng)交換芯片過熱時(shí)，CPU子系統(tǒng)會(huì)及時(shí)給出警告并關(guān)閉芯片功能，進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。E2PROM負(fù)責(zé)存儲(chǔ)交換芯片的初始化、配置等信息供系統(tǒng)查詢使用。GPIO擴(kuò)展芯片擴(kuò)展出系統(tǒng)需要的GPIO接口，例如芯片復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)等，為接入多個(gè)以太網(wǎng)物理層芯片做預(yù)留。

2.2 接口擴(kuò)展底板設(shè)計(jì)

接口擴(kuò)展底板(以下簡稱底板)根據(jù)設(shè)備機(jī)箱的實(shí)際使用環(huán)境，利用核心板引出的交換資源以及CPU子系統(tǒng)提供的管理控制資源，擴(kuò)展出機(jī)箱所需的網(wǎng)絡(luò)接口、光口、串口等形式的通信端口。根據(jù)機(jī)箱整體功能規(guī)劃，底板采用3U VPX形式，核心板一共提供32對(duì)SerDes鏈路，本次設(shè)計(jì)共引出19對(duì)SerDes 總線，其中16對(duì)直接連接到P2連接器，通過背板為業(yè)務(wù)槽位提供數(shù)據(jù)交換；2路SerDes連接到千兆以太網(wǎng)PHY轉(zhuǎn)換為8路1000Base-T網(wǎng)絡(luò)接口；1路連接到光模塊，轉(zhuǎn)為光信號(hào)供機(jī)箱使用。底板還預(yù)留一路1000Base-T系統(tǒng)管理網(wǎng)口，一路RS232管理串口。底板VPX槽位定義符合VITA48標(biāo)準(zhǔn)，VPX連接器P0上分布IPMC管理總線、時(shí)鐘總線、測試總線和電源等信號(hào)；P1上分布8路1000Base-T網(wǎng)絡(luò)差分信號(hào)、RS232信號(hào)、復(fù)位信號(hào)等；P2上分布16路高速SerDes差分信號(hào)、SMI單端信號(hào)等。底板原理如圖4所示，由以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、IPMC管理模塊、指示燈模塊、電源模塊組成。

圖4 接口擴(kuò)展底板原理框圖

以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊將核心板的SerDes Lanes轉(zhuǎn)為1000BASE-T物理網(wǎng)口引到P1連接器上。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊原理如圖5所示，將2路SerDes信號(hào)配置為QSGMII模式，通過以太網(wǎng)物理層芯片YT8618H和網(wǎng)絡(luò)變壓器HS4P01，轉(zhuǎn)為8路1000Base-T網(wǎng)絡(luò)接口。YT8618H是一款八通道千兆以太網(wǎng)PHY芯片，支持標(biāo)準(zhǔn)5類UTP以太網(wǎng)電纜和以太網(wǎng)光纖的所有物理層功能，包括1000BASE-T、100BASE-TX等，芯片的上行接口可支持SGMII和QSGMII。YT8618H PHY 芯片通過SMI 接口、SGMII 接口與核心板連接， 用以完成配置與傳輸數(shù)據(jù)；與網(wǎng)絡(luò)變壓器通過 MDI 接口相連，用以對(duì)外接收或傳輸數(shù)據(jù)；外接 25 MHz 晶體提供時(shí)鐘信號(hào)；通過配置信號(hào)完成地址、工作 狀態(tài)等配置；對(duì)外引出 LED 信號(hào)，以此顯示網(wǎng)絡(luò)傳 輸狀態(tài)。HSP401是四路千兆網(wǎng)絡(luò)變壓器，隔離電壓高達(dá)1 500 Vrms，網(wǎng)絡(luò)變壓器電路設(shè)計(jì)使得 PHY 芯片和外部隔離，并具有信號(hào)增強(qiáng)，阻抗匹配、波形修復(fù)、信號(hào)雜波抑制等作用，在保護(hù)核心芯片的同時(shí)使得傳輸距離和抗干擾能力增強(qiáng)。

圖5 以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊原理框圖

光電轉(zhuǎn)換模塊將核心板的SerDes Lanes轉(zhuǎn)為光信號(hào)利用光纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。根據(jù)要求，本設(shè)計(jì)選用速率1.25 G的光模塊，該光模塊功耗低，傳輸距離高達(dá)120 km，光傳輸具有高帶寬、大容量、易集成、損耗低、電磁兼容性好、無串?dāng)_、重量輕、小體積等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)傳輸中。

IPMC管理模塊完成整板上電和復(fù)位控制、電流及電壓實(shí)時(shí)測量與顯示、溫度監(jiān)測等功能[13]。模塊原理如圖6所示，選用GD32F103芯片作為核心處理器，通過 IPMB-A、IPMB-B 雙冗余總線與位于機(jī)箱內(nèi)的管理控制器實(shí)現(xiàn)信息交互。當(dāng)板卡上電時(shí)，處理器通過溫度傳感器的I2C總線獲取板卡溫度情況，通過分壓電路讀取各路電壓的數(shù)值，通過狀態(tài)位獲取交換板目前的運(yùn)行狀態(tài)，然后處理器將獲取到的信息打包成私有協(xié)議，通過IPMB-A、IPMB-B 雙冗余總線以及地址總線匯報(bào)給機(jī)箱IPMC管理控制器。機(jī)箱管理控制器根據(jù)GD32上報(bào)的數(shù)據(jù)，對(duì)管理的交換板發(fā)送相應(yīng)的指令，比如進(jìn)行上下電操作，給出告警提示等[14]。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測板卡的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全動(dòng)態(tài)管理，IPMC管理模塊的電源單獨(dú)供應(yīng)，只要機(jī)箱一上電，管理模塊就對(duì)板卡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

圖6 IPMC管理模塊原理框圖

指示燈模塊顯示每路網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)和速率，同時(shí)也可顯示整個(gè)板卡的運(yùn)行狀態(tài)。CTC7132芯片串行指示燈接口由編碼比特流組成，包括2個(gè)信號(hào)：LED_CLK和LED_DATA，通過交換芯片內(nèi)部寄存器編程控制端口時(shí)序[15]，時(shí)序圖如圖7所示。每路指示燈可設(shè)置為兩種模式：常亮/常滅模式、閃爍模式，通過內(nèi)部寄存器配置每路指示燈的模式。為了減小布線數(shù)量，降低設(shè)計(jì)難度和成本，本設(shè)計(jì)采用FPGA芯片來解析比特流信息并控制每路LED的狀態(tài)。核心板控制點(diǎn)燈的兩根串行線、一路復(fù)位線直接接入FPGA芯片內(nèi)，F(xiàn)PGA芯片在LED_CLK時(shí)鐘的上升沿采樣LED_DATA數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并控制每路指示燈的狀態(tài)。前文已介紹過，交換芯片最大支持32路SerDes鏈路，局限于板卡尺寸限制，選用16路指示燈分時(shí)顯示32路SerDes鏈路的連接狀態(tài)和速率，輪詢時(shí)間可通過FPGA芯片編程設(shè)置。板卡還有另外2路指示燈，一路指示板卡電源狀態(tài)，一路指示交換系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。選用可編程邏輯門陣列(FPGA芯片)取代移位寄存器來實(shí)現(xiàn)串行點(diǎn)燈的功能，簡化了電路設(shè)計(jì)，減小了PCB 布局布線工作量，還便于板卡根據(jù)不同的機(jī)箱進(jìn)行軟件升級(jí)換代，進(jìn)一步增強(qiáng)了交換板的可擴(kuò)展特性。

圖7 LED接口時(shí)序圖

電源模塊負(fù)責(zé)將VPX連接器P0模塊輸入的12 V電壓轉(zhuǎn)為多種電壓分配給底板各功能模塊使用。底板需要的電壓一共分別6種，分別為IPMC模塊3.3 V、PHY芯片3.3 V、PHY芯片1.2 V、光電轉(zhuǎn)換模塊3.3 V、FPGA串行指示燈模塊3.3 V、FPGA串行指示燈模塊1.2 V。為了避免各功能模塊電源交叉串?dāng)_，同時(shí)保證各模塊的功耗需求，底板PHY芯片的3.3 V電源、光模塊的3.3 V電源、FPGA芯片的3.3 V電源分別采用電壓轉(zhuǎn)換芯片獨(dú)立提供[16]。PHY芯片的1.2 V電源、FPGA芯片的1.2 V電源也分別提供。電路設(shè)計(jì)時(shí)，在電源、地線之間添加去耦電容，盡量加寬電源線、地線寬度，大電流通道采用鋪銅、陣列孔等方式來增加過流能力，同時(shí)兼顧電源芯片的散熱設(shè)計(jì)。

3 熱設(shè)計(jì)與仿真

交換芯片自身功耗比較高，機(jī)箱又采用全封閉的形式，因此交換板散熱條件有限，需要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)要求交換板能耐受60 ℃高溫環(huán)境，并正常工作，本次選用的元器件均為軍用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別，能在-40～125 ℃環(huán)境下正常工作，因此熱設(shè)計(jì)的目的是確保交換板的最高溫度不超過125 ℃。交換板的熱量分布如圖8所示，主要發(fā)熱器件為交換芯片CTC7132，最高功耗40 W，電源轉(zhuǎn)換模塊功耗也比較高，最高35 W。 機(jī)箱采用導(dǎo)冷加風(fēng)冷聯(lián)合的方式進(jìn)行散熱，且在大功率元器件與殼體內(nèi)壁間放置導(dǎo)熱硅膠墊，以增強(qiáng)外殼體的散熱效果。

圖8 交換板溫度截面圖

依據(jù)板卡的熱量分布情況建立熱量分布模型，環(huán)境溫度設(shè)置為60 ℃，進(jìn)行仿真計(jì)算分析。仿真結(jié)果見圖8，由溫度截面圖可以看出芯片最高溫度99 ℃，滿足芯片最高結(jié)溫要求，與殼體溫度相差不超過5 ℃，結(jié)構(gòu)散熱良好。仿真中元器件發(fā)熱功率均設(shè)為理論最大發(fā)熱功率，在實(shí)際使用中，發(fā)熱功率很難達(dá)到理論最大值，故實(shí)際溫度會(huì)小于仿真時(shí)得到的溫度[17]。對(duì)交換板的散熱設(shè)計(jì)合理有效，可以滿足環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)要求。

4 功能及性能測試

給交換板燒錄專門開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，搭載Linux嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)行單板調(diào)試，通過交換芯片初始化、以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)通信接口、串口狀態(tài)查詢等測試手段，驗(yàn)證了交換板的基本功能；然后將交換板插入到 VPX 設(shè)備機(jī)箱中，交換板通過背板與其他板卡數(shù)據(jù)通信正常，進(jìn)一步驗(yàn)證了國產(chǎn)交換芯片的接口特性；最后對(duì)交換板進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性測試與性能測試[18]，驗(yàn)證交換板是否可在惡劣環(huán)境中正常工作。環(huán)境測試根據(jù) GJB150.1A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法進(jìn)行[19]，篇幅有限，本文僅展示高溫試驗(yàn)的結(jié)果，測試互聯(lián)如圖 9所示。交換板置于機(jī)箱中，通過背板與機(jī)箱中的其它業(yè)務(wù)板卡通信，機(jī)箱放置在高低溫試驗(yàn)溫度箱中，溫度設(shè)置為 60 ℃。

圖9 交換板高溫試驗(yàn)平臺(tái)

如圖10所示，經(jīng)過各項(xiàng)熱設(shè)計(jì)措施處理之后，在高溫環(huán)境下，交換芯片溫度穩(wěn)定在91℃，符合要求，交換芯片可正常工作。測試過程中，光口通過光交換機(jī)與對(duì)端設(shè)備正常通信，無異常。如圖11所示， 5、8、11槽的SerDes總線狀態(tài)均為up，驗(yàn)證了交換板與其他業(yè)務(wù)板卡互連正常。

通過專用測試軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)丟包率和速率測試[20]，交換板所有端口支持全雙工線速交換，最高速率可達(dá)984 Mbps，而且在不同包大小、不同速率的情況下，均沒有發(fā)生丟包，如圖12所示。由此可見，國產(chǎn)化器件在生產(chǎn)工藝、集成度方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，在穩(wěn)定性、可靠性方面可滿足實(shí)際使用需求。

圖10 交換芯片溫度

圖11 各路SerDes鏈路狀態(tài)

圖12 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及性能測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的自主可控交換板具有高性能、模塊化、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。該板卡目前已應(yīng)用于多種環(huán)境苛刻的指控系統(tǒng)中，功能與性能穩(wěn)定，較好地支持系統(tǒng)升級(jí)換代，提高了裝備的自主保障能力，為軍工、航空航天等領(lǐng)域的國產(chǎn)化器件應(yīng)用與驗(yàn)證奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供了參考依據(jù)。