摘? 要: 針對工業控制" title="工業控制">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" title="工業以太網交換機">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" title="設計思路">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。
關鍵詞: 工業以太網? 光纖環路? 交換機? ARM
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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" title="交換芯片">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。
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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" 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。
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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換機的原理,同時又兼顧到了工業以太網設備的特點。本設計選用了功能較強的交換芯片、網絡物理層芯片和收發接口電路,并采用了基于ARM內核的32位嵌入式處理器來實現交換機的高級網絡功能。
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參考文獻
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