申请/专利权人：天地科技股份有限公司上海分公司;天地上海采掘装备科技有限公司

申请日：2018-06-05

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN108418904B

主分类号：H04L67/12

分类号：H04L67/12;H04L12/40;H04L41/0803

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2018.09.11#实质审查的生效;2018.08.17#公开

摘要：本发明涉及一种以太网通信控制装置及综采工作面通信网络，属于以太网领域。一种以太网通信控制装置，包括一个以太网交换机芯片，两个分别与所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口通信连接的本质安全型隔离耦合单元，一个与所述以太网交换机芯片通信连接的通信功能管理配置单元；所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口发出的信号通过所述本质安全型隔离耦合单元后连接到外部的电缆或者电缆连接器，且所述两个两芯物理层接口以一主一从的模式工作，其中从两芯物理层接口的时钟跟随主两芯物理层接口的时钟。本发明采用两芯接口，组成的工作面通信网络的带宽可达100Mbp,1000Mbps甚至更高。

主权项：1.一种以太网通信控制装置，其特征在于，包括：一个以太网交换机芯片，所述以太网交换机芯片具有至少两个支持BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1两芯物理层接口；两个分别与所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口通信连接的本质安全型隔离耦合单元；以及，一个与所述以太网交换机芯片通信连接的通信功能管理配置单元，所述通信功能管理配置单元用于对所述两芯物理层接口和以太网交换功能进行管理配置；所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口发出的信号通过所述本质安全型隔离耦合单元后连接到外部的电缆或者电缆连接器，且所述两个两芯物理层接口以一主一从的模式工作，其中从两芯物理层接口的时钟跟随主两芯物理层接口的时钟；所述本质安全型隔离耦合单元为高频变压器，所述高频变压器的原边与副边间工频耐压大于本安标准规定值；或者，所述本质安全型隔离耦合单元为两个分别串联在所述两芯物理层接口的两芯线路上的电容隔离与信号耦合器，所述电容隔离与信号耦合器由至少两个耐压大于本安标准规定值的固态电容串联组成。

全文数据：以太网通信控制装置及综采工作面通信网络技术领域[0001]本发明涉及以太网领域，特别涉及一种以太网通信控制装置及综采工作面通信网络。背景技术j[0002]随着煤矿综采工作面装备和系统自动化和智能化需求的不断增长，工作面沿线布置的数百台液压支架控制器、大量IP摄像头以及工作面内各种传感监视设备之间，以及贯穿整个工作面至设备巷监控主机之间存在海量的数据传送的需求。目前，国内外有包括普通工业以太网在内的各种有线、无线通信技术通过采取各种防爆设计措施后在工作面得到应用。如专利CN102136974A、CN102780597A及CN106507051A所示，采用四芯电气接口的100Mbps、8芯电气接口的1000Mbps的以太网技术以及100BASE-FX等标准的单模与多模光纤以太网技术，专利CN2〇3747819U及CN103763522A所示的基于HomePlugAV等标准的电力线载波通讯系统，以及如专利CN104506799A、CN205610955U等所示的工作面无线系统，已经应用于工作面的设备、装置间的网络通信。[0003]但是，煤矿井下是一种比较特殊的环境，尤其是其综采工作面存在爆炸性瓦斯和煤尘，环境恶劣，对通信设备和系统的应用有许多特殊要求。工作面网络节点之间的通信距离一般较短只有几米到几十米，但节点数目较多，连接线缆多达几百根，上述采用4芯100Mbps和8芯1000Mbps电气接口的工业以太网技术，在经常淋水、湿度大、煤泥污染严重的工作面环境下，多级（比如支架控制器之间上百级连接形成的系统，由于需要的电缆芯和连接器芯数较多可靠性较差，并且芯数多造成电缆和连接器的成本较高。工作面光纤通信，因光接口连接器容易受煤尘、煤泥污染影响使用，且断纤后需要专门的光纤工具才能接续，在井下使用不便，成本较高。基于电力线载波的系统平均每个宽带接口的电源功耗很高，是普通以太网接口的5〜10倍，不利于系统的本质安全型防爆设计，单个网域容纳节点数低，而且总线广播型传输方式当节点数较多时带宽下降较为严重。无线多节点传输系统则是带宽普遍偏低，可用带宽一般只能到几十兆，并且在金属设备密集且布置动态变化的综采工作面应用中，连接可靠性弱和传输延时较大。[0004]因此，现在亟需一种接口芯数少，带宽可达lOOMbp，1000Mbps甚至更高的带宽通信技术，以支撑构建更为简单易用、可靠性和适应性更强的通用或多用途工作面网络应用。。发明内容[0005]本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种以太网通信控制装置及综采工作面通信网络，采用两芯接口，带宽可达lOOMbp，1000Mbps甚至更高。[0006]本发明的目的是这样实现的：[0007]一种以太网通信控制装置，包括：[0008]一个以太网交换机芯片，所述以太网交换机芯片具有至少两个支持BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1两芯物理层接口；[0009]两个分别与所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口通信连接的本质安全型隔离耦合单元;以及，[0010]一个与所述以太网交换机芯片通信连接的通信功能管理配置单元，所述通信功能管理配置单元用于对所述两芯物理层接口和以太网交换功能进行管理配置；[0011]所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口发出的信号通过所述本质安全型隔离耦合单元后连接到外部的电缆或者电缆连接器，且所述两个两芯物理层接口以一主一从的模式工作，其中从两芯物理层接口的时钟跟随主两芯物理层接口的时钟。[0012]优选地，所述两芯物理层接口是基于BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1的两芯物理层接口芯片，所述两芯物理层接口芯片通过MilMediumIndependentInterface，介质独立接口）类型的接口与所述以太网交换机芯片连接;或者，所述两芯物理层接口是基于BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1的集成型两芯物理层接口，所述集成型两芯物理层接口嵌入在所述以太网交换机芯片的内部。所述MII类型的接口常见的有Mil、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII等。[0013]优选地，所述通信功能管理配置单元为单片机或嵌入式CPU;[0014]当所述通信功能管理配置单元为单片机时，所述以太网交换机芯片至少还具有一个用于与所述单片机连接的MII接口、RMII接口或SMI接口，所述单片机通过所述Mil接口、RMII接口或SMI接口实现与所述以太网交换机芯片的通信连接，进而实现与两个所述两芯物理层接口的通信连接;或者，所述单片机通过SPI接口或者SMI接口直接与所述以太网交换机芯片和两个所述两芯物理层接口实现通信互连；[0015]当所述通信功能管理配置单元为嵌入式CPU时，所述嵌入式CPU集成在所述以太网交换机芯片的内部处理器中。[0016]优选地，所述本质安全型隔离耦合单元为高频变压器，所述高频变压器的原边与副边间工频耐压大于本安标准规定值;或者，[0017]所述本质安全型隔离耦合单元为两个分别串联在所述两芯物理层接口的两芯线路上的电容隔离与信号耦合器，所述电容隔离与信号耦合器由至少两个耐压大于本安标准规定值的固态电容串联组成。[0018]优选地，所述以太网交换机芯片还具有至少一个接口，所述接口用于扩展通信与监控应用。[0019]优选地，所述装置采用本质安全型电源供电。[0020]本发明还公开了一种综采工作面通信网络，所述综采工作面通信网络由至少两个如前述中任一项所述的以太网通信控制装置串联而成，相邻的两个所述以太网通信控制装置之间通过所述两芯物理层接口实现串联，且串联起来的两个两芯物理层接口中的一个两芯物理层接口为主两芯物理层接口，另一个为从两芯物理层接口。[0021]优选地，串联起来的所述以太网通信控制装置采用一路本质安全型电源供电，或者采用多路相互隔离的本质安全型电源供电。[0022]本发明的有益效果为：[0023]1本发明所述以太网通信控制装置的两芯物理层接口连接有本质安全型隔离耦合单元，可通过对外两芯通讯接口可以直接相连组成综采工作面通信网络，无需单独设置本安型隔离耦合装置，即可符合煤矿防爆标准要求。[0024]2本发明所述以太网通信控制装置使用的网络技术除物理层接口之外，其余的MAC层及其它网络协议层与普通的以太网完全相同，对上层网络应用完全透明和兼容，可发挥以太网通信技术的全部优点；[0025]3本发明所述以太网通信控制装置组成的综采工作面通信网络，仅需要两芯电气进行连接就可实现高达100Mbps或1000Mbps的宽带通讯，与常规以太网的技术相比，所需的通信电缆和连接器的芯数可减少一半相对于4芯100BASE-TX以太网）或四分之三相对于8芯1000BASE-T以太网），简化连接，提升工作面网络应用可靠性，降低使用维护成本；[0026]4本发明所述以太网通信控制装置组成的综采工作面通信网络，各以太网通信控制装置可使采用不同本质安全型电源供电。附图说明[0027]图1示出了本发明以太网通信控制装置实施例一的结构示意图；[0028]图2示出了本发明以太网通信控制装置中通信功能管理配置单元一实施例的结构示意图；[0029]图3示出了本发明以太网通信控制装置实施例二的结构示意图；[0030]图4示出了本发明以太网通信控制装置实施例三的结构示意图；[0031]图5示出了本发明综采工作面通信网络一实施例的结构示意图。具体实施方式[0032]下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。[0033]首先，本发明提出一种以太网通信控制装置100。[0034]在实施例一中，如图1所示，所述的以太网通信控制装置100包括一个以太网交换机芯片101、两个本质安全型隔离耦合单元105、106和一个通信功能管理配置单元106。[0035]所述以太网交换机芯片101具有至少两个支持BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1两芯物理层接口103、104。具体地，所述两芯物理层接口103、104可以是基于BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1的两芯物理层接口芯片（比如型号为88Q2110或88Q2112的接口芯片），通过GMII、RGMII或SGMII与所述以太网交换机芯片101连接;或者，所述两芯物理层接口103、104可以是基于BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1的集成型两芯物理层接口，嵌入在所述以太网交换机芯片101的内部。[0036]所述两个本质安全型隔离耦合单元105、106分别与所述以太网交换机芯片101的两个两芯物理层接口103、104通信连接。[0037]具体地，所述本质安全型隔离耦合单元105、106可以是高频变压器，但所述高频变压器的原边与副边间工频耐压必须大于本安标准规定值。所述本质安全型隔离耦合单元105、106还可以采用两个分别串联在所述两芯物理层接口103、104的两芯线路上的电容隔离与信号耦合器，具体如图2所示，所述电容隔离与信号耦合器由至少两个耐压大于本安标准规定值的固态电容串联组成，对应两个两芯物理层接口1〇3、1〇4的P信号线上串联两个电容CP，对应两个两芯物理层接口103、104的N信号线上串联两个电容CN，所述电容CP和电容CN均为固态电容比如陶瓷、云母或薄膜电容）；所述电容CP和电容CN的额定电压值至少满足使P-P’之间及N-N’之间能够耐受本质安全电路标准规定的工频电压。如果需要进一步增强本安隔离的计数型故障的安全可靠性，还可采用更多固态电容串联。[0038]所述通信功能管理配置单元106用于对所述两芯物理层接口103、104和以太网交换功能进行管理配置。[0039]具体地，所述通信功能管理配置单元106为单片机或嵌入式CPU，用于实现应用扩展功能。[0040]当所述通信功能管理配置单元106为单片机时，所述以太网交换机芯片101至少还具有一个用于与所述单片机连接的Mil接口、RMII接口或SMI接口，所述单片机通过所述MII接口、RMII接口或SMI接口实现与所述以太网交换机芯片101的通信连接，进而实现与两个所述两芯物理层接口103、104的通信连接;或者，所述单片机通过SPI接口或者SMI接口直接与所述以太网交换机芯片101和两个所述两芯物理层接口103、104实现通信互连；[0041]当所述通信功能管理配置单元106为嵌入式CPU时，所述嵌入式CPU集成在所述以太网交换机芯片101的内部处理器中（比如88Q5050内部的ARMCortex-M7或BCM89501内嵌的ARMCortexR4。[0042]所述以太网交换机芯片101的两个两芯物理层接口103、104发出的信号通过所述本质安全型隔离耦合单元105、106后连接到外部的电缆或者电缆连接器即作为两芯以太网串联口109、108。由于所有基于PAM3编码与数字回波过滤的两芯物理层接口103、104的内部原理要求两个接口互联时必须以主从方式实现内部信号时钟同步后才能通信，因此在将多个同类的以太网通信控制装置1〇〇串联应用时，两个两芯物理层接口1〇3、1〇4被配置成一主一从的模式工作，实现从两芯物理层接口的时钟跟随主两芯物理层接口的时钟。[0043]所述以太网通信控制装置100采用本质安全型电源供电，其所有外露端口均属于本质安全型防爆。[0044]在实施例二中，基于实施例一的基础上，如图3所示，所述的以太网通信控制装置100中采用了一个八接口的以太网交换机芯片101。[0045]相比实施例一，所述以太网交换机芯片101多了五个接口，用于连接工作面现场应用的网络设备。所述五个接口可以集成或外置的方式与所述以太网交换机芯片101实现通伯。[0046]具体地，在本实施例二中，四个接口为四路集成的两芯百兆物理层接口11〇，用于接入面向工作面应用的各种网络设备112比如摄像仪），还有一个接口为标准百兆以太网接口111四芯），用作工作面WIFI接入AP全称AccessPoint，无线访问节点）。[0047]在实施例三中，基于实施例一的基础上，如图4所示，所述的以太网通信控制装置100中采用了一个集成了四路两芯百兆BroadR-Reach接口的多端口车用以太网交换机芯片101，（比如型号为BCM8950x的芯片），且该以太网交换机芯片1〇1通过Mil接口域者RMII接口）与一个支架电液控单片机1061通信连接。[0048]所述以太网交换机芯片101内部集成的两芯百兆BroadR-Reach接口中的两个接口103、104被配置为一主一从的工作模式，可分别连接左邻架和右邻架相同类型的液压支架控制器，用于实现液压支架控制器产品之间的完全互换和串联应用。_[0049]所述支架电液控单片机1061用于提供以太网交换机芯片1〇1和两芯通信进行配置和管理功能，同时还可承担如图中虚线框所示的液压支架电液控制器的基本的输入输出程序控制与现场总线接口控制的功能。[0050]由于两芯百兆BroadR-Reach接口与100Base-Tl接口均为主要面向汽车应用的以太网物理层，两者可以直接互换互联，因此本实例也可覆盖基于100BASE-T1的类似支架控制器技术方案。同样，可以把该技术方案中的两芯物理层接口1〇3、104换成独立或集成型的基于1000BASE-T1的1000Mbps接口（比如88Q2110或88Q2112，实现两芯千兆连接的液压支架控制器设计。此外，还可使用市面上大量存在的带xMII接口的普通以太网交换机芯片101，用外置的BroadR-Reach接口芯片或100BASE-!!接口芯片，比如BCM89810、DP83TC811、TJA1100或TJA1102来实现同样实施实例。[0051]其次，本发明还提出了一种综采工作面通信网络。[0052]在一实施例中，如图5所示，所述综采工作面通信网络200由至少两个如前述中任一项所述的以太网通信控制装置100串联而成，图5中示出的两芯网络交换通信节点201，就是前述中以太网通信控制装置100的概念抽象名词，可以是图1、图3、图4中任一种以太网通信控制装置100。[0053]相邻的所述两芯网络交换通信节点201之间采用BroadR-Reach、100BASE-T1或1000BASE-T1的两芯物理层接口串联，且串联起来的两个两芯物理层接口中的一个两芯物理层接口为主两芯物理层接口，另一个为从两芯物理层接口，整个串联结构的两芯网路可以从工作面的一个端头贯穿到工作面的另一端头，各节点201即以太网通信控制装置1〇〇采用一路或多路隔离的本质安全型电源2〇2供电。最终构成的综采工作面通信网络200系统可采用两芯车用物理层接口转换器203与普通以太网接口设备204互连。[0054]虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

权利要求：1.一•种以太网通彳目控制装置，其特征在于，包括：一个以太网交换机芯片，所述以太网交换机芯片具有至少两个支持BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1两芯物理层接口；两个分别与所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口通信连接的本质安全型隔离耦合单元；以及，一个与所述以太网交换机芯片通信连接的通信功能管理配置单元，所述通信功能管理配置单元用于对所述两芯物理层接口和以太网交换功能进行管理配置；所述以太网交换机芯片的两个两芯物理层接口发出的信号通过所述本质安全型隔离耦合单元后连接到外部的电缆或者电缆连接器，且所述两个两芯物理层接口以一主一从的模式工作，其中从两芯物理层接口的时钟跟随主两芯物理层接口的时钟。2.根据权利要求1所述的以太网通信控制装置，其特征在于，所述两芯物理层接口是基于BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1的两芯物理层接口芯片，所述两芯物理层接口芯片通过MII类型的接口与所述以太网交换机芯片连接;或者，所述两芯物理层接口是基于BroadR-Reach或100BASE-T1或1000BASE-T1的集成型两芯物理层接口，所述集成型两芯物理层接口嵌入在所述以太网交换机芯片的内部。3.根据权利要求1所述的以太网通信控制装置，其特征在于，所述通信功能管理配置单元为单片机或嵌入式CPU;当所述通信功能管理配置单元为单片机时，所述以太网交换机芯片至少还具有一个用于与所述单片机连接的Mil接口、RMII接口或SMI接口，所述单片机通过所述MII接口、RMII接口或SMI接口实现与所述以太网交换机芯片的通信连接，进而实现与两个所述两芯物理层接口的通信连接;或者，所述单片机通过SPI接口或者SMI接口直接与所述以太网交换机芯片和两个所述两芯物理层接口实现通信互连；当所述通信功能管理配置单元为嵌入式CPU时，所述嵌入式CPU集成在所述以太网交换机芯片的内部处理器中。4.根据权利要求1所述的以太网通信控制装置，其特征在于，所述本质安全型隔离耦合单元为高频变压器，所述高频变压器的原边与副边间工频耐压大于本安标准规定值;或者，所述本质安全型隔离耦合单元为两个分别串联在所述两芯物理层接口的两芯线路上的电容隔离与信号耦合器，所述电容隔离与信号耦合器由至少两个耐压大于本安标准规定值的固态电容串联组成。5.根据权利要求1-4中任一所述的以太网通信控制装置，其特征在于，所述以太网交换机芯片还具有至少一个接口，所述接口用于扩展通信与监控应用。6.根据权利要求1-4中任一所述的以太网通信控制装置，其特征在于，所述装置采用本质安全型电源供电。7.—种综采工作面通信网络，其特征在于，所述综采工作面通信网络由至少两个如权利要求1-6中任一项所述的以太网通信控制装置串联而成，相邻的两个所述以太网通信控制装置之间通过所述两芯物理层接口实现串联，且串联起来的两个两芯物理层接口中的一个两芯物理层接口为主两芯物理层接口，另一个为从两芯物理层接口。8.根据权利要求7所述的综采工作面通信网络，其特征在于，串联起来的所述以太网通信控制装置采用一路本质安全型电源供电，或者采用多路相互隔离的本质安全型电源供电。

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