工业以太网交换机作为工业以太网中的核心设备,直接影响工业以太网的安全稳定运行,若交换机运行出现故障,工业以太网信息传递的实时性将不能得到保证,严重情况下可能导致工业网络瘫痪,危及整个工业系统的安全可靠运行,造成极大的经济损失和安全隐患。工业以太网交换机出现故障的原因有很多,但其本质来源于交换机所处的恶劣的工业环境。尤其对于工业以太网三层交换机来说,由于其采用ASIC芯片进行硬件方式的报文转发,其对硬件的可靠性有着非常严格的要求,而工业环境往往有着信号噪声大、电磁干扰大及温度变化大的特点,因此如何提高工业以太网三层交换机自身的安全性和可靠性,使其更好地适应工业环境,已经引起了工业界及学术界的广泛关注。论文以工业以太网三层交换机为研究对象,重点研究了板级电源及信号完整性、电磁兼容性以及热稳定性的设计,并对设计进行了仿真分析与优化。论文研究内容如下:1.论文分析了工业环境的特点,提出了从硬件方面保障三层交换机安全性和可靠性的方法,不同于传统的“先设计再测试再整改”的流程,论文根据“边设计边仿真边修改”的设计方法,在进行硬件可靠性设计的同时通过仿真来检验设计的合理性,并根据仿真结果对设计进行修改和优化,避免了对成品设备进行整改的繁琐,提高了硬件设计的效率和质量。2.论文分析了交换机PCB板级电源质量和信号质量的影响因素,根据实际的板级设计进行仿真分析,根据仿真结果提出了改善板级设计的方法,保证了交换机板级电源和信号的质量。3.对于交换机系统的电磁兼容设计,论文采用了板级与系统级协同仿真的方法,将板级仿真结果作为系统级仿真的激励源,更加真实地模拟交换机所处的工业环境及其工作过程,并通过电磁兼容性测试对仿真结果进行了验证。4.对于交换机的热设计,论文分析了元器件级、板级以及系统级热设计的方法,将PCB图布局结果直接导入系统级仿真软件中进行分析,根据结果对设计进行了优化,仿真结果更接近于真实情况,对实际的硬件设计更具有指导意义。论文所研究的工业以太网三层交换机在硬件方面能满足工业环境的要求,并且其自身向外的电磁辐射和热量传递不会对周围设备产生严重的影响,其研究结果满足项目设计要求,论文中对电子设备板级及系统级设计的研究方法具有现实意义。