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光纤环路工业以太网交换机的设计

  随着以太网技术的迅速发展及其在商用领域的应用日渐广泛,越来越多的工业控制设备也逐渐使用以太网并采用TCP/IP协议作为主要的通信标准。虽然应用于工业控制领域的以太网标准与商用以太网相同,但在工业控制领域,还需要网络能在比较恶劣的工作环境下稳定地工作。因此,用来连接工业设备的网络产品需要经过特别设计,才能提供工业级的可靠性,以满足长期连续运行的需求。另外,在工业控制领域,所需连接的设备分布较分散,单个地方连接设备少,这就对支持光纤冗余环路的8端口的光纤网络交换机产品有了较大需求。为了实现光纤冗余环路功能,需要采用高性能的微处理器实现网络的管理和控制功能,并采用高性能的网络交换芯片实现基本的10/100M以太网交换功能。


  下面主要介绍CPU采用32位ARM内核微处理器、具有6个10/100M双绞线端口和两个100M光纤端口、可实现冗余环路功能的工业以太网交换机的软、硬件设计思路。


  1 硬件设计


  光纤环路工业以太网交换机硬件主要分成两个模块:CPU模块和交换模块。下面分别对这两个模块进行详细介绍。


  1.1 CPU模块


  CPU模块又可以划分为两部分,即电源部分和CPU及外围电路部分。


  电源部分要求提供两路10~40V的直流电源,这两路电源互为备份,只要其中一路电源是正常的即可使系统正常供电。另外,这两路电源的正常与否由连接到CPU上的两个LED发光管指示,CPU如果发现有一路不正常,就会驱动报警指示灯指示此路电源不正常,并驱动继电器接通另一路电源。如果两路同时不正常,由于继电器的报警输出为常闭触点,CPU无输出信号,继电器的触点是闭合的,因此可以向远端提供报警信息。


  MAX788是开关稳压管,该稳压管的输出电压为3.3V,输出最大电流为5A,输入电压范围为8V~40V,内部开关频率为100kHz。


  交换机的CPU选用Atmel公司的32位ARM内核微处理器芯片AT91M40800,RAM采用高速256K×16位的SRAM CY7C1041BV33。


  FLASH存储器29W400用来保存程序和一些配置信息,它的容量为256K×16位。AT91M40800的串口扩展一个RS-232接口,PC机通过RS-232口直接对交换机进行一些管理和设置。MAX823是一个带WATCHDOG功能的电源监视芯片,提供可靠的复位信号。

 

  CPU模块和交换模块之间通过40芯的插座进行连接,主要对交换芯片实现寄存器设置和网络数据读写功能。JTAG端口实现对AT91M40800的实时仿真和将程序下载到FLASH存储器中。


  1.2 交换模块


  交换模块主要由MAC层主交换芯片VT6510B和物理层芯片RTL8208组成。主交换芯片采用VIA公司生产的VT6510B,该芯片有9个10/100M端口和1个1G端口,内嵌384KB的控制RAM和包交换缓冲RAM,可以实现完整的交换功能;另外提供主机接口,以便外部CPU对本交换芯片进行初始化和管理。


  8个10/100M端口通过RMII接口与Realtek公司生产的物理层芯片RTL8208连接。RTL8208芯片共集成了8个物理层的端口,这8个端口可以配置成采用10/100BASE-TX(双绞线接口)或100BASE-FX(光纤接口)。本系统采用了6个10/100BASE-TX端口和两个100BASE-FX端口。6个10/100BASE-TX端口需要通过隔离变压器HR604009与RJ-45接口连接,HR604009是一个提供4路RJ-45接口的隔离变压器。两个100BASE-FX端口可以直接与光纤收发器V23826连接,该收发器提供单模SC接口。


  另外,物理层芯片RTL8208可以通过串行移位寄存器74HC164外接LED发光管输出显示每个网络端口的状态。


  由于VT6510B和RTL8208的核心工作电压是2.5V,所以还要采用低压降的稳压芯片MAX1818把3.3V的电压降到2.5V。


  2 软件设计


  本交换机软件设计的主要任务是对交换芯片VT6510B的寄存器进行设置,使之能实现基本的交换功能;另外可以由上位机通过RS-232口或交换机上的网络端口对本交换机进行设置,实现网络端口的状态监视、冗余环路、虚拟局域网等各项高级管理功能。


  根据产品的设计要求,交换机的软件可以划分为以下几部分:


  (1)初始化


  主要完成对CPU各寄存器的初始值设置和对交换芯片的各个寄存器的初始值设置,启动交换机开始工作。


  (2)网络协议


  实现802.1d、802.1w、802.1q以及PING、ARP、BOOTP、IP、TCP、UDP等网络协议。


  (3)网络管理及功能设置


  通过RS-232口实现对交换机一些基本参数的设置和状态监视。另外在实现上述网络协议的基础上,也可以直接通过网络实现对交换机的参数设置和实时状态监视。


  (4)故障诊断及冗余环路实现


  实现对电源及交换机其它部件的故障自诊断和报警,按照所设定的冗余环路实现协议和策略,监视网络当前连接状态并实现网络的自愈功能。


  由于工业以太网交换机与通常的商用交换机有很多的共同点,又有一些不同点,因此在设计时借鉴了商用以太网交换机的原理,同时又兼顾到了工业以太网设备的特点。本设计选用了功能较强的交换芯片、网络物理层芯片和收发接口电路,并采用了基于ARM内核的32位嵌入式处理器来实现交换机的高级网络功能。

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