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光纖環路工業以太網交換機的設計
摘要：針對工業控制領域所采用的以太網交換機的具體需求，給出了一種實現冗余光纖環路的８端口１０／１００Ｍ工業以太網交換機的設計方案。詳細介紹了以３２位ＡＲＭ內核微處理器為ＣＰＵ的交換機硬件的設計思路，同時也給出了軟件各模塊的設計思路及實現的主要功能。隨著以太網技術的迅速發展及其在商用領域的應用日漸廣泛，越來越多的工業控制設備也逐漸使用以太網并采用ＴＣＰ／ＩＰ協議作為主要的通信標準。雖然應用于工業控制領域的以太網標準與商用以太網相同，但在工業控制領域，還需要網絡能在比較惡劣的工作環境下穩定地工作。因此，用來連接工業設備的網絡產品需要經過特別設計，才能提供工業級的可靠性，以滿足長期連續運行的需求。另外，在工業控制領域，所需連接的設備分布較分散，單個地方連接設備少，這就對支持光纖冗余環路的８端口的光纖網絡交換機產品有了較大需求。為了實現光纖冗余環路功能，需要采用高性能的微處理器實現網絡的管理和控制功能，
并采用高性能的網絡交換芯片實現基本的１０／１００Ｍ以太網交換功能。
下面主要介紹ＣＰＵ采用３２位ＡＲＭ內核微處理器、具有６個１０／１００Ｍ雙絞線端口和兩個１００Ｍ光纖端口、可實現冗余環路功能的工業以太網交換機的軟、硬件設計思路。
１ 硬件設計
光纖環路工業以太網交換機硬件主要分成兩個模塊：ＣＰＵ模塊和交換模塊。下面分別對這兩個模塊進行詳細介紹。
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ＬＥＤ發光管指示，ＣＰＵ如果發現有一路不正常，就會驅動報警指示燈指示此路電源不正常，并驅動繼電器接通另一路電源。如果兩路同時不正常，由于繼電器的報警輸出為常閉觸點，ＣＰＵ無輸出信號，繼電器的觸點是閉合的，因此可以向遠端提供報警信息。
ＭＡＸ７８８是開關穩壓管，該穩壓管的輸出電壓為３．３Ｖ，輸出最大電流為５Ａ，輸入電壓范圍為８Ｖ～４０Ｖ，內部開關頻率為１００ｋＨｚ。
交換機的ＣＰＵ選用Ａｔｍｅｌ公司的３２位ＡＲＭ內核微處理器芯片ＡＴ９１Ｍ４０８００，ＲＡＭ采用高速２５６Ｋ×１６位的ＳＲＡＭ ＣＹ７Ｃ１０４１ＢＶ３３。
ＦＬＡＳＨ存儲器２９Ｗ４００用來保存程序和一些配置信息，它的容量為２５６Ｋ×１６位。ＡＴ９１Ｍ４０８００的串口擴展一個ＲＳ－２３２接口，ＰＣ機通過ＲＳ－２３２口直接對交換機進行一些管理和設置。ＭＡＸ８２３是一個帶ＷＡＴＣＨＤＯＧ功能的電源監視芯片，提供可靠的復位信號。
ＣＰＵ模塊和交換模塊之間通過４０芯的插座進行連接，主要對交換芯片實現寄存器設置和網絡數據讀寫功能。ＪＴＡＧ端口實現對ＡＴ９１Ｍ４０８００的實時仿真和將程序下載到ＦＬＡＳＨ存儲器中。
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公司生產的ＶＴ６５１０Ｂ，該芯片有９個１０／１００Ｍ端口和１個１Ｇ端口，內嵌３８４ＫＢ的控制ＲＡＭ和包交換緩沖ＲＡＭ，可以實現完整的交換功能；另外提供主機接口，以便外部ＣＰＵ對本交換芯片進行初始化和管理。
８個１０／１００Ｍ端口通過ＲＭＩＩ接口與Ｒｅａｌｔｅｋ公司生產的物理層芯片ＲＴＬ８２０８連接。ＲＴＬ８２０８芯片共集成了８個物理層的端口，這８個端口可以配置成采用１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ（雙絞線接口）或１００ＢＡＳＥ－ＦＸ（光纖接口）。本系統采用了６個１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ端口和兩個１００ＢＡＳＥ－ＦＸ端口。６個１０／１００ＢＡＳＥ－ＴＸ端口需要通過隔離變壓器ＨＲ６０４００９與ＲＪ－４５接口連接，ＨＲ６０４００９是一個提供４路ＲＪ－４５接口的隔離變壓器。兩個１００ＢＡＳＥ－ＦＸ端口可以直接與光纖收發器Ｖ２３８２６連接，該收發器提供單模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發光管輸出顯示每個網絡端口的狀態。
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 軟件設計
本交換機軟件設計的主要任務是對交換芯片ＶＴ６５１０Ｂ的寄存器進行設置，使之能實現基本的交換功能；另外可以由上位機通過ＲＳ－２３２口或交換機上的網絡端口對本交換機進行設置，實現網絡端口的狀態監視、冗余環路、虛擬局域網等各項高級管理功能。
根據產品的設計要求，交換機的軟件可以劃分為以下幾部分：
（１）初始化
主要完成對ＣＰＵ各寄存器的初始值設置和對交換芯片的各個寄存器的初始值設置，啟動交換機開始工作。
（２）網絡協議
實現８０２．１ｄ、８０２．１ｗ、８０２．１ｑ以及ＰＩＮＧ、ＡＲＰ、ＢＯＯＴＰ、ＩＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ等網絡協議。
（３）網絡管理及功能設置
通過ＲＳ－２３２口實現對交換機一些基本參數的設置和狀態監視。另外在實現上述網絡協議的基礎上，也可以直接通過網絡實現對交換機的參數設置和實時狀態監視。
（４）故障診斷及冗余環路實現
實現對電源及交換機其它部件的故障自診斷和報警，按照所設定的冗余環路實現協議和策略，監視網絡當前連接狀態并實現網絡的自愈功能。
由于工業以太網交換機與通常的商用交換機有很多的共同點，又有一些不同點，因此在設計時借鑒了商用以太網交
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