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光纖環(huán)路工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計(jì)
摘要：針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域所采用的以太網(wǎng)交換機(jī)的具體需求，給出了一種實(shí)現(xiàn)冗余光纖環(huán)路的８端口１０／１００Ｍ工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了以３２位ＡＲＭ內(nèi)核微處理器為ＣＰＵ的交換機(jī)硬件的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)也給出了軟件各模塊的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)的主要功能。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在商用領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛，越來越多的工業(yè)控制設(shè)備也逐漸使用以太網(wǎng)并采用ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議作為主要的通信標(biāo)準(zhǔn)。雖然應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與商用以太網(wǎng)相同，但在工業(yè)控制領(lǐng)域，還需要網(wǎng)絡(luò)能在比較惡劣的工作環(huán)境下穩(wěn)定地工作。因此，用來連接工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需要經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，才能提供工業(yè)級(jí)的可靠性，以滿足長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的需求。另外，在工業(yè)控制領(lǐng)域，所需連接的設(shè)備分布較分散，單個(gè)地方連接設(shè)備少，這就對(duì)支持光纖冗余環(huán)路的８端口的光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)產(chǎn)品有了較大需求。為了實(shí)現(xiàn)光纖冗余環(huán)路功能，需要采用高性能的微處理器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制功能，
并采用高性能的網(wǎng)絡(luò)交換芯片實(shí)現(xiàn)基本的１０／１００Ｍ以太網(wǎng)交換功能。
下面主要介紹ＣＰＵ采用３２位ＡＲＭ內(nèi)核微處理器、具有６個(gè)１０／１００Ｍ雙絞線端口和兩個(gè)１００Ｍ光纖端口、可實(shí)現(xiàn)冗余環(huán)路功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的軟、硬件設(shè)計(jì)思路。
１ 硬件設(shè)計(jì)
光纖環(huán)路工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)硬件主要分成兩個(gè)模塊：ＣＰＵ模塊和交換模塊。下面分別對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。
１．１ ＣＰＵ模塊
ＣＰＵ模塊又可以劃分為兩部分，即電源部分和ＣＰＵ及外圍電路部分，原理框圖見圖１。
電源部分要求提供兩路１０～４０Ｖ的直流電源，這兩路電源互為備份，只要其中一路電源是正常的?即可使系統(tǒng)正常供電。另外，這兩路電源的正常與否由連接到ＣＰＵ上的兩個(gè)ＬＥＤ發(fā)光管指示，ＣＰＵ如果發(fā)現(xiàn)有一路不正常，就會(huì)驅(qū)動(dòng)報(bào)警指示燈指示此路電源不正常，并驅(qū)動(dòng)繼電器接通另一路電源。如果兩路同時(shí)不正常，由于繼電器的報(bào)警輸出為常閉觸點(diǎn)，ＣＰＵ無輸出信號(hào)，繼電器的觸點(diǎn)是閉合的，因此可以向遠(yuǎn)端提供報(bào)警信息。
ＭＡＸ７８８是開關(guān)穩(wěn)壓管，該穩(wěn)壓管的輸出電壓為３．３Ｖ，輸出最大電流為５Ａ，輸入電壓范圍為８Ｖ～４０Ｖ，內(nèi)部開關(guān)頻率為１００ｋＨｚ。
交換機(jī)的ＣＰＵ選用Ａｔｍｅｌ公司的３２位ＡＲＭ內(nèi)核微處理器芯片ＡＴ９１Ｍ４０８００，ＲＡＭ采用高速２５６Ｋ×１６位的ＳＲＡＭ ＣＹ７Ｃ１０４１ＢＶ３３。
ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器２９Ｗ４００用來保存程序和一些配置信息，它的容量為２５６Ｋ×１６位。ＡＴ９１Ｍ４０８００的串口擴(kuò)展一個(gè)ＲＳ－２３２接口，ＰＣ機(jī)通過ＲＳ－２３２口直接對(duì)交換機(jī)進(jìn)行一些管理和設(shè)置。ＭＡＸ８２３是一個(gè)帶ＷＡＴＣＨＤＯＧ功能的電源監(jiān)視芯片，提供可靠的復(fù)位信號(hào)。
ＣＰＵ模塊和交換模塊之間通過４０芯的插座進(jìn)行連接，主要對(duì)交換芯片實(shí)現(xiàn)寄存器設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀寫功能。ＪＴＡＧ端口實(shí)現(xiàn)對(duì)ＡＴ９１Ｍ４０８００的實(shí)時(shí)仿真和將程序下載到ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器中。
１．２ 交換模塊
交換模塊主要由ＭＡＣ層主交換芯片ＶＴ６５１０Ｂ和物理層芯片ＲＴＬ８２０８組成。主交換芯片采用ＶＩＡ公司生產(chǎn)的ＶＴ６５１０Ｂ，該芯片有９個(gè)１０／１００Ｍ端口和１個(gè)１Ｇ端口，內(nèi)嵌３８４ＫＢ的控制ＲＡＭ和包交換緩沖ＲＡＭ，可以實(shí)現(xiàn)完整的交換功能；另外提供主機(jī)接口，以便外部ＣＰＵ對(duì)本交換芯片進(jìn)行初始化和管理。
８?jìng)�(gè)１０／１００Ｍ端口通過ＲＭＩＩ接口與Ｒｅａｌｔｅｋ公司生產(chǎn)的物理層芯片ＲＴＬ８２０８連接。ＲＴＬ８２０８芯片共集成了８?jìng)�(gè)物理層的端口，這８?jìng)�(gè)端口可以配置成采用１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ（雙絞線接口）或１００ＢＡＳＥ－ＦＸ（光纖接口）。本系統(tǒng)采用了６個(gè)１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ端口和兩個(gè)１００ＢＡＳＥ－ＦＸ端口。６個(gè)１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ端口需要通過隔離變壓器ＨＲ６０４００９與ＲＪ－４５接口連接，ＨＲ６０４００９是一個(gè)提供４路ＲＪ－４５接口的隔離變壓器。兩個(gè)１００ＢＡＳＥ－ＦＸ端口可以直接與光纖收發(fā)器Ｖ２３８２６連接，該收發(fā)器提供單模ＳＣ接口。
另外，物理層芯片ＲＴＬ８２０８可以通過串行移位寄存器７４ＨＣ１６４外接ＬＥＤ發(fā)光管輸出顯示每個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口的狀態(tài)。
由于ＶＴ６５１０Ｂ和ＲＴＬ８２０８的核心工作電壓是２．５Ｖ，所以還要采用低壓降的穩(wěn)壓芯片ＭＡＸ１８１８把３．３Ｖ的電壓降到２．５Ｖ。
交換模塊的原理框圖見圖２。
２ 軟件設(shè)計(jì)
本交換機(jī)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)交換芯片ＶＴ６５１０Ｂ的寄存器進(jìn)行設(shè)置，使之能實(shí)現(xiàn)基本的交換功能；另外可以由上位機(jī)通過ＲＳ－２３２口或交換機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)端口對(duì)本交換機(jī)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端口的狀態(tài)監(jiān)視、冗余環(huán)路、虛擬局域網(wǎng)等各項(xiàng)高級(jí)管理功能。
根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，交換機(jī)的軟件可以劃分為以下幾部分：
（１）初始化
主要完成對(duì)ＣＰＵ各寄存器的初始值設(shè)置和對(duì)交換芯片的各個(gè)寄存器的初始值設(shè)置，啟動(dòng)交換機(jī)開始工作。
（２）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
實(shí)現(xiàn)８０２．１ｄ、８０２．１ｗ、８０２．１ｑ以及ＰＩＮＧ、ＡＲＰ、ＢＯＯＴＰ、ＩＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
（３）網(wǎng)絡(luò)管理及功能設(shè)置
通過ＲＳ－２３２口實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)一些基本參數(shù)的設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)視。另外在實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，也可以直接通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)的參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視。
（４）故障診斷及冗余環(huán)路實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)對(duì)電源及交換機(jī)其它部件的故障自診斷和報(bào)警，按照所設(shè)定的冗余環(huán)路實(shí)現(xiàn)協(xié)議和策略，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前連接狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自愈功能。
由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與通常的商用交換機(jī)有很多的共同點(diǎn)，又有一些不同點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了商用以太網(wǎng)交
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