摘? 要: 針對(duì)工業(yè)控制" title="工業(yè)控制">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)" title="工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)">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" title="設(shè)計(jì)思路">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,。

　　關(guān)鍵詞: 工業(yè)以太網(wǎng)? 光纖環(huán)路? 交換機(jī)? ARM

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　　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(lái)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(lái)連接工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì),才能提供工業(yè)級(jí)的可靠性,以滿(mǎn)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" title="交換芯片">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(jiàn)圖1,。

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　　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(wú)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(xiě)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" title="物理層芯片">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個(gè)10/100M端口通過(guò)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個(gè)物理層的端口,這8個(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(guò)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(guò)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(jiàn)圖2。

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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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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)交換機(jī)的原理,同時(shí)又兼顧到了工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的特點(diǎn),。本設(shè)計(jì)選用了功能較強(qiáng)的交換芯片,、網(wǎng)絡(luò)物理層芯片和收發(fā)接口電路,并采用了基于ARM內(nèi)核的32位嵌入式處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的高級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能。

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