应用于轨道交通车辆的以太网模块和HMI显示器的制作方法

应用于轨道交通车辆的以太网模块和hmi显示器
技术领域
1.本实用新型涉及轨道交通领域，具体是一种应用于轨道交通车辆的以太网模块和一种hmi显示器。


背景技术：

2.在轨道交通领域中，以太网模块是轨道交通列车的重要控制基础。如果轨道交通列车在行驶过程中，以太网模块出现丢包现象，将导致列车驾驶员无法观察到轨道交通列车的数据。
3.出现以太网模块的丢包现象的原因包括：轨道交通的电磁环境比较复杂，电磁环境对以太网模块造成电磁干扰，从而造成到以太网模块出现丢包现象；以及，以太网所在的电路出现电振荡时，同样能够造成以太网模块出现丢包现象。
4.因此，如何减少以太网模块的丢包现象，成为现有技术中要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中，如何减少以太网模块的丢包现象的技术问题，本实用新型提供一种应用于轨道交通车辆的以太网模块。
6.为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：
7.根据本实用新型的一个方面，提供一种应用于轨道交通车辆的以太网模块，其特征在于，包括供电组件、以太网芯片和电路板；
8.所述供电组件包括dc
‑
dc电源芯片和两个ldo电源芯片；
9.所述dc
‑
dc电源芯片、两个所述ldo电源芯片和所述以太网芯片分别设置在所述电路板上，所述dc
‑
dc电源芯片和两个所述ldo电源芯片电性连接，所述dc
‑
dc电源芯片和两个所述ldo电源芯片分别与所述以太网芯片电性连接。
10.进一步的，所述dc
‑
dc电源芯片具体为tps54386pwpr芯片，其中，所述 tps54386pwpr芯片用于输出3.3vdc；
11.两个所述ldo电源芯片分别为tps7a8101qdrbrq1芯片，其中一个所述 tps7a8101qdrbrq1芯片用于输出1.2vdc，其中另一个所述tps7a8101qdrbrq1 芯片用于输出2.5vdc。
12.进一步的，还包括信号变压器和网络接口；
13.所述信号变压器和所述网络接口分别设置在所述电路板上，所述以太网芯片和所述网络接口分别与所述信号变压器电性连接，其中，所述信号变压器用于将所述以太网芯片和所述网络接口隔离。
14.进一步的，还包括浪涌保护器；
15.所述浪涌保护器设置在所述以太网芯片和网络接口之间，所述以太网芯片和所述网络接口之间的电路为第一电路，所述浪涌保护器所在的电路为第二电路，所述第一电路和所述第二电路并联。
16.进一步的，还包括两个共模电感；
17.所述信号变压器具有输出端和输入端，其中一个所述共模电感分别电性连接于所述输出端和所述网络接口，其中另一个所述共模电感分别电性连接于所述输入端和所述网络接口。
18.进一步的，所述电路板采用挖空处理方式分隔为第一电路板和第二电路板，其中，所述信号变压器设置于所述第二电路板，所述第一电路板的接地和所述第二电路板的接地相互隔离。
19.进一步的，还包括有源晶振；
20.所述有源晶振和所述以太网芯片电性连接，其中，所述有源晶振和所述以太网芯片之间的布线为采用包地处理的布线。
21.进一步的，还包括cpu；
22.所述cpu和所述以太网芯片电性连接，其中，所述cpu至所述网络接口之间的布线方式，采用差分线段分段等长规则的布线方式。
23.根据本实用新型的一个方面，提供一种hmi显示器，包括如前述的应用于轨道交通车辆的以太网模块。
24.上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
25.本实用新型提供的应用于轨道交通车辆的以太网模块，采用dc
‑
dc电源芯片用于向两个ldo电源芯片(tps7a8101qdrbrq1芯片)提供3.3vdc电压，其中一个ldo电源芯片用于将3.3vdc电压转变为1.2vdc电压，而其中另一个ldo 电源芯片用于将3.3vdc电压转变为2.5vdc电压；由于ldo电源芯片 (tps7a8101qdrbrq1芯片)的文波系数小，且额定电流为250ma，使得两个ldo 芯片的额定电流和太网芯片的额定电流相差很小，从而以太网模块轻载时震荡小，最终减少了以太网模块出现丢包现象。
附图说明
26.图1为本实用新型实施例提供的应用于轨道交通车辆的以太网模块的电性连接图；
27.图2为本实用新型实施例提供的供电组件的电性连接图；
28.图3为本实用新型实施例提供的电路板的结构简图；
29.图4为现有技术的通过示波器获得的供电波形图；
30.图5为本实用新型实施例提供的应用于轨道交通车辆的以太网模块的实物的测试架构图；
31.图6为本实用新型实施例提供的应用于轨道交通车辆的以太网模块的实物的示波器眼图。
具体实施方式
32.实施例1：
33.在本实施例中，参见图1或图2，提供一种应用于轨道交通车辆的以太网模块，其特征在于，包括供电组件1、以太网芯片2和电路板3；
34.供电组件1包括dc
‑
dc电源芯片101和两个ldo电源芯片102；
35.dc
‑
dc电源芯片101、两个ldo电源芯片102和以太网芯片2分别设置在电路板3上，dc
‑
dc电源芯片101和两个ldo电源芯片102电性连接，dc
‑
dc电源芯片101和两个ldo电源芯片102分别与以太网芯片2电性连接。应当理解的是，在本实施例中，dc
‑
dc电源芯片101，应当理解为dc
‑
dc变换器(dc
‑
dcconverter)，是指在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置。dc
‑
dc变换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。
36.应当理解的是，在本实施例中，ldo电源芯片102，应当理解为一种低压差线性稳压器(low dropout regulator)。低压差线性稳压器的优点是成本低，噪音低，静态电流小。
37.其中，dc
‑
dc电源芯片101用于向以太网芯片2和电路板3提供3.3vdc电压，两个ldo电源芯片102用于向以太网芯片2提供小于3.3vdc电压。两个 ldo电源芯片102分别与dc
‑
dc电源芯片101电性连接，dc
‑
dc电源芯片101 用于向两个ldo电源芯片102提供3.3vdc电压，其中一个ldo电源芯片102用于将3.3vdc电压转变为1.2vdc电压，而其中另一个ldo电源芯片用于将 3.3vdc电压转变为2.5vdc电压。
38.以太网芯片2具有100m以太网(100base
‑
tx)接收功能，其实现接收功能的过程可执行mlt
‑
3到nrzi转换、nrzi到nrz转换、去扰码、4b/5b解码和串并转换；此外，100base
‑
tx传输功能和实现传输功能的过程，与前述的接收功能和实现接收功能的过程相反。
39.在本实施例中，以太网芯片2优选的采用ksz9021rni芯片，dc
‑
dc电源芯片101优选的采用tps54386pwpr芯片，ldo电源芯片102优选的采用 tps7a8101qdrbrq1芯片。
40.ksz9021rni芯片具有3.3vdc供电模块、1.2vdc供电模块和2.5vdc供电模块，其中，前述的dc
‑
dc电源芯片101(tps54386pwpr芯片)电性连接于3.3vdc 供电模块，用于为ksz9021rni芯片提供3.3vdc电压；其中一个ldo电源芯片 102(tps7a8101qdrbrq1芯片)电性连接于1.2vdc供电模块，用于为ksz9021rni 芯片提供1.2vdc电压；其中另一个ldo电源芯片102(tps7a8101qdrbrq1芯片) 电性连接于2.5vdc供电模块，用于为ksz9021rni芯片提供2.5vdc电压。
41.现有技术中，太网芯片ksz9021rl通常采用dc/dc电源芯片tps54386pwpr 提供3.3vdc电压，通过isl9307irtaajfz
‑
t提供1.2vdc和2.5vdc。其中，参见图4，图4为现有技术的isl9307irtaajfz
‑
t的波形图，isl9307irtaajfz
‑
t 的文波系数大、轻载时震荡大，且isl9307irtaajfz
‑
t集成有两路dc
‑
dc和两路ldo；其中一路dc
‑
dc用于提供1.2vdc电压，但其额定电流为1.5a，其中一路ldo用于提供2.5v电压，但其额定电流为0.3a。而以太网芯片2ksz9021rl 的百兆工作状态时的1.2v额定电流为158ma，2.5v额定电流为9ma； isl9307irtaajfz
‑
t的额定电流与以太网芯片2ksz9021rl的额定电流相差巨大，使得isl9307irtaajfz
‑
t使用效率低，从而引起以太网所在的电路出现电振荡，最终造成以太网模块在电震荡时出现丢包现象。
42.而本实施例中，采用dc
‑
dc电源芯片101用于向两个ldo电源芯片102 (tps7a8101qdrbrq1芯片)提供3.3vdc电压，其中一个ldo电源芯片102用于将3.3vdc电压转变为1.2vdc电压，而其中另一个ldo电源芯片用于将 3.3vdc电压转变为2.5vdc电压；由于ldo电源芯片(tps7a8101qdrbrq1芯片) 的文波系数小，且额定电流为250ma，使得两个ldo芯片的额定电流和太网芯片的额定电流相差很小，从而以太网模块轻载时震荡小，最终减少了以太网模块出现丢包现象。
43.因此，本实施例提供的应用于轨道交通车辆的以太网模块，解决了现有技术中，如
何减少以太网模块的丢包现象的技术问题。
44.进一步的，参见图1，还包括信号变压器4和网络接口5；
45.信号变压器4和网络接口5分别设置在电路板3上，以太网芯片2和网络接口5分别与信号变压器4电性连接，其中，信号变压器4用于将以太网芯片2和网络接口5隔离。
46.其中，信号变压器4优选的采用hx1188nlt，信号变压器4的两端电性隔离，网络接口5和信号变压器4的其中一端电性连接，而以太网芯片2和信号变压器4的其中另一端电性连接；以太网芯片2发送的两路差分信号传输到信号变压器4上，信号变压器4能够根据两路差分信号生成两路输出信号，并将两路输出信号发送至以太网接口；以太网接口接收外部(电路板3以外)的两路差分信号，并将外部的两路差分信号发送至信号变压器4，信号变压器4能够根据外部的两路差分信号生成两路输入信号，并将输入信号发送至以太网芯片2。
47.在以太网芯片2和网络接口5之间采用信号变压器4，将网络接口5的两路差分传输信号进行隔离，能够明显的减少外部信号对以太网芯片2形成的电磁干扰，从而能够减少以太网模块的丢包现象发生。
48.进一步的，参见图1，还包括浪涌保护器6；
49.浪涌保护器6设置在以太网芯片2和网络接口5之间，以太网芯片2和网络接口5之间的电路为第一电路，浪涌保护器6所在的电路为第二电路，第一电路和第二电路并联。
50.其中，浪涌保护器6优选的采用两个tvs二极管。
51.电路板3容易受到高频谐波干扰，其主要是电路板3本身能够产生高频谐波干扰而形成干扰源；在电路板3上可能具有多个干扰源，多个干扰源之间形成相互干扰、冲击，例如：能够干扰到以太网芯片2发出的两路差分信号，使得传输两路差分信号的电路形成浪涌，从而造成以太网芯片2和网络接口5之间信号传输的不稳定。当以太网芯片2和网络接口5之间的电路因为干扰源的干扰产生浪涌(尖峰电流或电压)时，浪涌保护器6能够在短时间内导通分流，从而避免浪涌对以太网芯片2和网络接口5之间的电路造成干扰。
52.浪涌保护器6优选的采用tvs二极管，用于保护前述的第一电路(以太网芯片2和网络接口5之间的电路)。
53.采用浪涌保护器6，能够显著的提升太网芯片和网络接口5之间的电路的抗高频谐波干扰能力，从而能够保证以太网芯片2和网络接口5之间的双路差分信号的传输稳定性，进而减少以太网模块的丢包现象的发生。
54.进一步的，参见图1，还包括两个共模电感7；
55.信号变压器4具有输出端和输入端，其中一个共模电感7分别电性连接于输出端和网络接口5，其中另一个共模电感7分别电性连接于输入端和网络接口5。
56.在电路板3工作时，外部的电磁干扰源(例如：轨道交通列车所在的电磁环境)能够干扰信号变压器4和网络接口5之间的电路，从而造成高频共模噪声，并向信号变压器4和网络接口5之间的电路以外发出电磁干扰，影响到信号变压器4和网络接口5之间的信号传输。
57.在信号变压器4和网络接口5之间串联两个共模电感7，能够抑制高频共模噪声和向信号变压器4和网络接口5之间的电路以外发出电磁干扰。
58.进一步的，参见图3，电路板3采用挖空处理方式分隔为第一电路板31和第二电路板32，其中，信号变压器4设置于第二电路板32，第一电路板31的接地和第二电路板32的接地相互隔离。
59.其中，第一电路板31和第二电路板32之间的间距在100mil以上。
60.在轨道交通列车所处在的电磁环境中，电磁环境对于传输网络信号的线路形成电磁干扰，从而使得网络接口5至信号变压器4之间受到来自外部电磁环境的电磁干扰比较强烈，在信号变压器4和网络接口5分别与前述的电源芯片 (dc
‑
dc电源芯片101和两个ldo电源芯片102)和以太网芯片2设置在同一个电路板3的情况下，位于信号变压器4和网络接口5处的电路板3的在外部的强烈电磁干扰下形成电荷，该电荷能够影响到位于以太网芯片2和电源芯片使用状态，使得电路板3的抗电磁干扰功能比较弱。
61.将信号变压器4所在的第二电路板32和第一电路板31采用挖空处理的方式形成物理隔离，使得网络接口5和信号变压器4的接地，与电源芯片和以太网芯片2的接地相互隔离，从而使得信号变压器4和网络接口5所在的第二电路板32受到外部的强烈电磁干扰而形成电荷时，电荷不能够通过第二电路板 32向第一电路板31方向传输，使得从而明显的第一电路板31的抗电磁干扰能力和第二电路板32的抗电磁干扰能力。
62.进一步的，参见图1，还包括有源晶振8；
63.有源晶振8和以太网芯片2电性连接，其中，有源晶振8和以太网芯片2 之间的布线为采用包地处理的布线。
64.其中有源晶振8优选的采用25mhz有源晶振，精度稳定在
±
20ppm，型号为 asfl1
‑
25.000mhz
‑
lcs
‑
t。
65.现有技术中，通常采用无源晶振设置在电路板3上，这是因为，无源晶振的无源晶体在起震电路的作用下能够适用于多种电压。但是，无源晶体相对于有源晶振8的缺陷是信号指令比较查，需要精确匹配外围电路，从而造成更换不同频率的无源晶体时需要调整匹配的外围电路、或者将无源晶体设置在不同材质的电路板3时，外围电路需要做出相应调整。
66.有源晶振8连接方式相对于无源晶振简单，有源晶振8的输出端可采用电阻值比较小的电阻过滤晶振信号，不需要匹配复杂的外围电路。对于敏感信号可以选用比较精密的有源晶振8，甚至是更高级的温度补偿晶振。
67.对于时序要求敏感的以太网，外部参考时钟采用25mhz有源晶振8，精度稳定在
±
20ppm，例如：型号为asfl1
‑
25.000mhz
‑
lcs
‑
t的有源晶振8。由于有源晶振8具有稳定的频率和良好的抗干扰能力，从而能够提升电路板3的线路的稳定性。
68.优选的，有源晶振8的布线采用包地处理，防止影响到其他信号(例如以太网芯片2和信号变压器4之间的双路差分信号)
69.进一步的，参见图1，还包括cpu9；
70.cpu9和以太网芯片2电性连接，其中，cpu9至网络接口5之间的布线方式，采用差分线段分段等长规则的布线方式。
71.其中，cpu优选的采用i.mx6q，cpu9和以太网芯片2通过rgmii信号实现通信；gmii是8位接口数据和工作时钟为125mhz的千兆mii接口，且兼容mii 所支持10/100mbps工作方式，rgmii是简化的gmii接口，rgmii收发均采用 4位数据，工作时钟为125mhz，数据在时钟的上升和下降沿传输，速率可达到 1000mbps。
72.差分线段分段等长规则的布线方式，应当理解为：第一段，在cpu9至以太网芯片2之间的多条用于通讯或传输信号的线路的长度相同，以及，第二段，在以太网芯片2和信号
变压器4之间的多条用于通讯或传输信号的线路的长度相同，以及，第三段，在信号变压器4和共模电感7之间的多条用于通讯或传输信号的线路的长度相同，以及，第四段，在共模电感7和网络接口5之间的多条用于通讯或传输信号的线路的长度相同。上述第一段至第四段中，任一段的线长的偏差为
±
25mil，且任一条线路的阻抗控制在100ω、且阻抗精度为 10％。
73.在前述的内容基础上，本实施例提出的应用于轨道交通车辆的以太网模块，对以太网硬件优化后进行贴片加工，制作成实物，且需要将实物进行网络一致性测试。
74.具体的，对实物通过如图5所示测试架构，进行对以太网100base
‑
tx测试，需要测被测实物发送的波形。
75.参见图6和表1，其中，图6为眼图，100base
‑
tx采用mlt
‑
3编码，信号有3个电平，眼图会有两个眼图结果。从眼图结果可以看出具有很细的眼迹线和清晰眼图轮廓以及未触aoi模板，说明具有很小系统噪声和码间干扰，其中 a部为眼线，b部为aoi模板。
76.表1是以太网一致性测试结果，可以看出实物驱动能力较好和系统抖动较小。
77.根据图6和表1所示得出设计的实物相关的测试指标完全满足。通过相关测试结果表明本实施例的应用于轨道交通车辆的以太网模块具有良好的信号质量、传输性能和信号完整性。
78.表1：以太网一致性测试结果
79.类型(单位)测试指标结果差分正输出电平(v)1.0010.95<＝x<＝1.05ok差分负输出电平(v)0.9920.95<＝x<＝1.05ok信号振幅对称性(％)100.898<＝x<＝102ok差分正波形过冲(％)0x<＝5ok差分负波形过冲(％)0.36x<＝5ok正波形上升时间(ns)3.7233<＝x<＝5ok正波形下降时间(ns)3.6913<＝x<＝5ok正波形最大升降时差(ps)32.052x<＝500ok负波形上升时间(ns)3.5943<＝x<＝5ok负波形下降时间(ns)3.6963<＝x<＝5ok负波的最大升降时差(ps)101.566x<＝500ok占空比失真(ps)118.801x<＝500ok正波形峰值抖动(ps)522.613x<＝1400ok负波形峰值抖动(ps)462.312x<＝1400ok
80.除了前述内容之外，在本实施例中，还提供一种hmi显示器，包括前述的所有的应用于轨道交通车辆的以太网模块。
81.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。