CN101262354B - 一种嵌入式工业交换机 - Google Patents

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刘薇
陈凡民
张洪雁
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Abstract

本发明是一种嵌入式工业交换机的实施例，其特征一在于交换机可以嵌入到不同用户需求的板卡中，通过堆叠器输出差分总线，为用户提供4个端口，端口的种类用户可以根据需求不同进行外围的选择。其特征二在于该模块采用3.3VDC供电，同时采用高效的开关电源，其效率高达95％，为系统提供可靠的供电，并保证电源储能达到本质安全的需求，能保证在危险环境中的应用。其特征三在于嵌入式工业交换机提供先进的WEB、CLI管理能对各个端口进行便捷的管理。每个端口都可以启用DT-RING协议，工作在环行网络模式下。

Description

一种嵌入式工业交换机
技术领域
本发明涉可以嵌入到各种工业交换机中，可以灵活变换交换机的接口位置和形式，并为用户嵌入到各种控制系统中提供方便的条件。
背景技术
工业现场以往使用各种工业现场总线将各种工业设备连接在一起，形成工业控制网络，但随着工业客户需求的不断提升，现场总线已经不能满足工业客户日益增加的新需求。也由于各种现场总线标准的不统一，限制了工业现场总线的进一步发展。于是，工业客户将目光投向了在商用行业应用成功的以太网技术。
工业以太网交换技术是近两年在工业行业兴起的一门边沿技术，是将商用网络交换技术应用于工业现场，同时也增加了许多工业属性。以满足工业现场复杂多变的环境适应性。
东土公司发明的嵌入式工业交换机，是在分析工业行业的各种需求后研制的具有突出创新性产品。
发明内容
系统总体设计：设备提供4个标准的pecl电平接口(100Base-FX为LVPECL电平，100Base-TX为MLT-3)通过插针的形式与母板相连。在母板上实现两个标准的10/100M的电以太网口，和两个光、电可选并支持自愈解环的以太网接口。若选择光以太网接口模式，那么端口将被强制到百兆全双工，支持DT-Ring解环模式，组成环网时，解环时间小于30ms。若选择电以太网接口模式，端口速率支持自适应，端口支持DT-Ring解环模式，可以组成环网，解环时间小于30ms。
交换机可以嵌入到不同用户需求的板卡中，通过堆叠器输出差分总线，为用户提供4个端口，端口的种类用户可以根据需求不同进行外围的选择；该模块采用3.3VDC供电，同时采用高效的开关电源，其效率高达90％，为系统提供可靠的供电，并保证电源储能达到本质安全的需求，能保证在危险环境中的应用；嵌入式工业交换机提供先进的WEB、CLI管理能对各个端口进行便捷的管理；
所述的嵌入式工业交换机的J6输出双路PECL电平，可以选择为光口或电口；
所述的嵌入式工业交换机的J6输出的端口电平可以组成环网；
所述的嵌入式工业交换机的J5输出双路PECL电平，此两路电平只能为电口，并且能组环；
所述的嵌入式工业交换机的J5有端口告警的开关量输出，当端口断开没有连接时，开关量闭和；若端口有连接开关量断开；
所述的嵌入式工业交换机的J5有网管口的TTL电平输出，可以管理交换机，对交换机进行配置；
所述的嵌入式工业交换机的J5有各个端口指示灯信号输出；
所述的嵌入式工业交换机的J5有3.3V电源输入接口；
所述的嵌入式工业交换机采用开关电源进行电源转换，转换效率高可以达到90％；电源为双输出两相降压型同步DC/DC控制器，开关频率可以随机改变，使EMI屏蔽和滤波器的需求达到最小，同时极大地降低了DC/DC控制器输入和输出的峰值辐射与传导噪声；
所述的嵌入式工业交换机组成环形网络时，网络的倒换速度小于30ms。
系统满载的状态下，其功耗小于5.6w。
电源的告警信息可以显示在WEB的页面上，便于系统网元的维护与管理。
电源告警信息同时可以发送到基于SNMP协议的KYVISION3.0管理软件中，并在后台显示告警信息，便于系统网络的整体管理。
该发明能组环行网络，并提供另外一对百兆口上联，组成百兆环行网络时，其倒换速度小于30ms。
采用CPLD控制端口及系统运行指示灯。
附图说明
图1硬件系统原理框图；
图2硬件实物图；
图3SWITCH与CPU原理框图；
图4WEB管理模块功能框图；
图5静态组播模块。
具体实施方式
1.1硬件实现方法
硬件实现方法：取消以往的光模块和RJ45座，用堆叠器输出差分信号，为了方便将普通的电口信号放在一侧，光电可选可以接环的PEC电平放在板子另一侧。交换机考虑了信号的完整性，抗干扰性。系统原理框图如图1。实物图如2。
1.2电源设计
嵌入式交换机电源采用3.3VDC电源供电，通过插针提供给板子。
1.2.1SWITCH与CPU通信实现
SWITCH实现主要考虑高速信号线、低速信号的平衡及信号的完整性，主体时钟，以及SPI总线的可靠性，如下图3所示。
SWITCH与CPU卡通信采用MII、SPI总线接口，与各种百兆模之间采用差分总线接口，通过插针提供差分信号。
1.2.2端口指示灯实现
电口/光口指示灯由CPLD给出信号，通过插针给出信号。
1.3软件实现
1.3.1DT-ring模块实现
DT-RING模块是一种工业环境下的以太网快速、可靠冗余环网的倒换设计方法，其特征是指定环网中的主站/从站节点；指定每个交换节点的环端口及环端口的Forward、Block状态；主站节点通过Forward状态端口发送TEST报文，Block状态的端口检测TEST报文；主从站节点快速检测被指定的环端口的LINK-UP、LINK-DOWN状态，转发并刷新MAC地址；从站收到主站发出的拓扑改变的报文后刷新MAC地址。整个拓扑改变到重新构成达到稳态时间小于30ms。
主站有3种状态，分别为起始状态、环-开状态和环-关状态；由协议报文和本站环端口状态控制协议状态迁移。无论处于何种状态，主站都会向主环端口发送TEST报文，用于检测环路状态。
起始状态：当环端口只有一个为LINK-UP时的状态，不需要协议对协议报文进行任何处理，只检测环端口LINK-UP事件，当次环端口LINK-UP后，将状态转到环-关状态，同时设置次环端口为BLOCK状态。
环-关状态：DT-RING环在物理上的连接状态；环上的每个端口状态都为LINK-UP状态，此时物理上已经成环。
环-开状态：DT-RING环在物理上的连接状态；环上的端口至少有一个是LINK-DOWN状态；主环此时不能接收到自己从主环端口发送的Hello报文。
1.3.2WEB模块实现
WEB模块实现了浏览器对交换机的管理，通过WEB页面可以显示交换的各种工作状态，对交换机的功能进行配置，升级软件及重新启动设备等功能。WEB模块的功能结构如图4。
用户认证模块：当用户需要使用WEB模块管理交换机时，需要输入认证信息(用户名、密码)当系统对当前用户认证通过后方可使用WEB管理功能。
设备状态显示模块：包含设备基本信息、端口状态及端口的流量信息。端口状态及端口流量会定时刷新，确保信息的有效性。
设备基本配置模块：包含IP地址配置、设备名称配置、端口配置、用户认证信息修改、软件版本查询及软件升级功能。
设备高级配置模块：包含端口流量配置、VLAN配置管理、端口镜像配置管理、端口聚合配置管理、静态组播地址表配置管理、IGMP Snooping配置管理、SNMP配置管理、冗余环配置管理、端口优先级(QOS)的配置管理、广播风暴抑制及MAC地址老化时间的配置。
设备管理及配置保存模块：包含设备重起、用户退出认证模式、保存配置信息及恢复默认配置。
1.3.3静态组播模块实现
静态组播模块实现，是通过手动添加静态组播表的方式，添加组播用户，相对于动态组播具有简单、可靠、时延小等优点，并且不需要协议参与；可以通过配置静态组播转发表，来实现多播数据的转发。实现原理框图如5。

Claims (2)

1.一种嵌入式工业交换机，其特征在于交换机能够嵌入到不同用户需求的板卡中，通过堆叠器输出差分总线，为用户提供4个端口，端口的种类用户能够根据需求不同进行外围的选择；嵌入式工业交换机电源模块采用3.3VDC供电，同时采用高效的开关电源，其效率高达90%，为系统提供可靠的供电，并保证电源储能达到本质安全的需求，能保证在危险环境中的应用；嵌入式工业交换机提供先进的WEB、CLI管理能对各个端口进行便捷的管理；
所述的嵌入式工业交换机的J6插针输出双路PECL电平，能够选择为光口或电口；
所述的嵌入式工业交换机的J6插针输出的端口电平能够组成环网；
所述的嵌入式工业交换机的J5插针输出双路PECL电平，此两路电平只能为电口，并且能组环；
所述的嵌入式工业交换机的J5插针有端口告警的开关量输出，当端口断开没有连接时，开关量闭和；若端口有连接开关量断开；
所述的嵌入式工业交换机的J5插针 有网管口的TTL电平输出，能够管理交换机，对交换机进行配置；
所述的嵌入式工业交换机的J5插针有各个端口指示灯信号输出；
所述的嵌入式工业交换机的J5插针有3.3V电源输入接口；
所述的嵌入式工业交换机采用开关电源进行电源转换，转换效率高能够达到90%；电源为双输出两相降压型同步 DC/DC 控制器，开关频率能够随机改变，使EMI 屏蔽和滤波器的需求达到最小，同时极大地降低了 DC/DC 控制器输入和输出的峰值辐射与传导噪声；
所述的嵌入式工业交换机组成环形网络时，网络的倒换速度小于30ms；
WEB模块实现了浏览器对交换机的管理，通过WEB页面能够显示交换的各种工作状态，对交换机的功能进行配置，升级软件及重新启动设备；WEB模块的功能结构包括：用户认证模块、设备状态显示模块、设备基本配置模块、设备高级配置模块、设备管理及配置保存模块。。
2.根据权利要求1所述的嵌入式工业交换机，其特征在于系统满载的状态下，其功耗小于5.6w。
3．根据权利要求1所述的嵌入式工业交换机，其特征在于电源的告警信息显示在WEB的页面上，便于系统网元的维护与管理。
4. 根据权利要求1所述的嵌入式工业交换机，其特征在于所述的嵌入式工业交换机能组环行网络，并提供另外一对百兆口上联，组成百兆环行网络时，其倒换速度小于30ms。
5. 根据权利要求1所述的嵌入式工业交换机，其特征在于采用CPLD 控制端口及系统运行指示灯。
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