基于AT91R40008芯片和μC/OS-II實(shí)現(xiàn)EPA交換機(jī)的設(shè)計(jì)

作者：王平;寧戀;王浩;華晨 來源：電子設(shè)計(jì)應(yīng)用

EPA交換機(jī)工作原理和功能

EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是一種全新的適用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的開放性以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。EPA交換機(jī)位于現(xiàn)場設(shè)備層和過程監(jiān)控層的邊界上，作為下層網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)的入口，它不僅要實(shí)現(xiàn)EPA交換機(jī)的基本功能，還要實(shí)現(xiàn)相關(guān)的安全機(jī)制、冗余機(jī)制，是EPA安全網(wǎng)絡(luò)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，EPA交換機(jī)應(yīng)具備轉(zhuǎn)發(fā)、鏈路冗余、組態(tài)、設(shè)備定位與隔離以及安全保護(hù)五種功能。

EPA交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)功能不僅能夠轉(zhuǎn)發(fā)自己獨(dú)立的協(xié)議類型（0X88BC）幀，而且也能夠轉(zhuǎn)發(fā)TCP/IP協(xié)議中的0X0800、0X0806等協(xié)議類型幀。EPA交換機(jī)基于MAC地址表來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一次廣播，多次查MAC地址表來實(shí)現(xiàn)，主要通過EPA交換機(jī)交換芯片硬件來完成。

EPA交換機(jī)鏈路冗余功能保證了EPA工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的高可靠運(yùn)行。采用MRP協(xié)議（Media Redundancy Protocol），在EPA網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)EPA交換機(jī)充當(dāng)MRM（Media Redundancy Manager）角色，兩個(gè)或以上交換機(jī)充當(dāng)MRC（Media Redundancy Client）角色，通過對(duì)通信鏈路的管理，保證EPA工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層以及過程監(jiān)控層之間EPA數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

EPA安全交換機(jī)是一個(gè)可組態(tài)的設(shè)備，因此在每個(gè)EPA安全交換機(jī)中擁有獨(dú)立的EPA協(xié)議棧用來與上位機(jī)的組態(tài)軟件進(jìn)行通信。

對(duì)于設(shè)備定位與隔離功能，組態(tài)軟件用不同的ID標(biāo)識(shí)不同的EPA交換機(jī)，設(shè)備發(fā)送的報(bào)文經(jīng)過EPA交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)上位機(jī)組態(tài)軟件前，EPA交換機(jī)會(huì)將其本身的ID加到報(bào)文的特殊字段中（可在報(bào)文保留的位置處定義），組態(tài)軟件通過解析該字段，即可知道其設(shè)備是從屬于哪個(gè)EPA交換機(jī)。這樣，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備工作異常時(shí)，能在組態(tài)軟件中對(duì)該設(shè)備進(jìn)行故障定位和隔離。

安全保護(hù)功能是指EPA交換機(jī)提供了相關(guān)的安全機(jī)制，如訪問控制、設(shè)備鑒別、用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)和包過濾技術(shù)等。

嵌入式EPA交換機(jī)的模塊結(jié)構(gòu)

嵌入式EPA交換機(jī)功能決定了它的模塊結(jié)構(gòu)。結(jié)合操作系統(tǒng)μc/os，EPA交換機(jī)將每個(gè)模塊劃分為相對(duì)獨(dú)立的模塊，采用任務(wù)分配的機(jī)制，即將每一個(gè)模塊抽象為一個(gè)任務(wù)，并結(jié)合實(shí)際的情況賦予不同的優(yōu)先級(jí)，根據(jù)報(bào)文的不同調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)（即相應(yīng)的模塊）進(jìn)行報(bào)文處理，各個(gè)進(jìn)程之間采用的是消息隊(duì)列或郵箱的通信機(jī)制，其模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPA交換機(jī)模塊結(jié)構(gòu)

EPA交換機(jī)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式EPA交換機(jī)的硬件設(shè)計(jì)主要有3個(gè)部分：CPU控制部分、以太網(wǎng)控制器處理部分和電源模塊。本交換機(jī)采用AT91R40008作為核心控制器，該芯片屬于AT91 16/32位處理器家族，它以ARM7TDMI內(nèi)核為基礎(chǔ)。以太網(wǎng)控制器（MAC控制器）VT6512芯片是Layer2+層的單芯片。交換機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 交換機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了一種允許通過以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)輸送直流電源的方法，它能安全可靠地將以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)引入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，并且和原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相兼容，這樣小型網(wǎng)路設(shè)備就可以通過以太網(wǎng)連接供電而無需使用外接電源。圖3所示為交換機(jī)某一端口總線供電的電路圖。

圖3 總線供電電路圖

通過開關(guān)電源模塊提供24V的直流電源。F1是一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，起到過流保護(hù)的作用。D9二極管是防止電源反接的保護(hù)，F(xiàn)9為壓敏電阻，起過壓保護(hù)的作用。C15、C141為一對(duì)旁路電容，使POW-A得到一個(gè)干凈的直流電源輸出。當(dāng)接上負(fù)載時(shí)，LED點(diǎn)亮，表示供電正常。

交換機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)EPA工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，本文采用EPA交換機(jī)底層驅(qū)動(dòng)部分、EPA安全部分和EPA交換機(jī)冗余功能部分來實(shí)現(xiàn)EPA交換機(jī)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)；采用 μC/OS-II操作系統(tǒng)模塊為EPA交換機(jī)中的多任務(wù)提供調(diào)度和通信功能；采用TCP/IP模塊部分實(shí)現(xiàn)EPA交換機(jī)中對(duì)TCP/IP報(bào)文進(jìn)行接收解析和發(fā)送的功能；采用EPA應(yīng)用層通信協(xié)議棧部分實(shí)現(xiàn)EPA交換機(jī)的組態(tài)功能。交換機(jī)軟件功能模塊如圖4所示。

圖4 EPA交換機(jī)軟件功能模塊組成圖

EPA交換機(jī)報(bào)文接收轉(zhuǎn)發(fā)處理具體過程為：當(dāng)EPA交換機(jī)某端口接收到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，交與第二層交換引擎（MAC層處理芯片）處理。交換引擎根據(jù)報(bào)文中的源MAC地址更新MAC地址表，同時(shí)根據(jù)目的MAC地址作相應(yīng)的處理。

交換機(jī)配置管理模塊的設(shè)計(jì)

交換機(jī)配置管理模塊主要是針對(duì)EPA交換機(jī)硬件平臺(tái)以及二層應(yīng)用協(xié)議的管理與配置，其中包括生成樹協(xié)議（IEEE 802.1D）、GARP/GMRP/GVRP（IEEE 802.1D，IEEE 802.1Q）、鏈路聚合（IEEE 802.3ad）、流量控制（IEEE 802.3x）以及交換芯片的MAC地址、交換機(jī)端口速率使能等。該模塊的作用是使用戶根據(jù)需要配置使用EPA交換機(jī)的功能。EPA用戶通過上位機(jī)屏蔽或打開EPA交換機(jī)的某項(xiàng)功能，完成EPA網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。

底層驅(qū)動(dòng)模塊

EPA交換機(jī)底層驅(qū)動(dòng)模塊主要分為三個(gè)子模塊：BSP模塊、SSP模塊和定時(shí)器驅(qū)動(dòng)模塊。

BSP模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，使其能夠更好地運(yùn)行于EPA交換機(jī)硬件之上。它具體負(fù)責(zé)上電時(shí)的硬件初始化、啟動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序模塊、提供底層硬件驅(qū)動(dòng)，為上層軟件提供訪問底層硬件的手段。

SSP模塊主要實(shí)現(xiàn)了CPU與交換芯片的軟件接口，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的發(fā)送與接收功能，對(duì)上層屏蔽了底層硬件具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，為上層提供了應(yīng)用接口。

定時(shí)器驅(qū)動(dòng)為實(shí)現(xiàn)二層應(yīng)用協(xié)議幀的發(fā)送與接收，設(shè)備聲明、設(shè)備鑒別等報(bào)文的定時(shí)重發(fā)以及EPA報(bào)文的調(diào)度和時(shí)間同步等系統(tǒng)所需要的定時(shí)提供了準(zhǔn)確的時(shí)間。

TCP（UDP）/IP協(xié)議模塊和EPA協(xié)議棧模塊

EPA標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定EPA報(bào)文是封裝在UDP/IP協(xié)議之上的，而且具有自己獨(dú)立的幀協(xié)議類型號(hào)0x88BC，因此還需要設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)適用于EPA交換機(jī)的TCP（UDP）/IP協(xié)議棧模塊；設(shè)計(jì)EPA協(xié)議棧模塊的主要功能是完成過程監(jiān)控層設(shè)備對(duì)EPA交換機(jī)的組態(tài)監(jiān)控功能。

EPA網(wǎng)絡(luò)安全與功能安全模塊

安全機(jī)制模塊的主要作用是提供相關(guān)的安全機(jī)制，只有通過了安全機(jī)制的報(bào)文才能向上層傳送進(jìn)行進(jìn)一步的報(bào)文處理。否則將該報(bào)文丟棄。

在整個(gè)軟件系統(tǒng)中，各個(gè)模塊是通過嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II提供的消息機(jī)制完成任務(wù)切換。

EPA安全交換機(jī)的測試

EPA交換機(jī)的安全轉(zhuǎn)發(fā)能力是其整體功能的重要體現(xiàn)，其性能好壞直接影響網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、穩(wěn)定性以及擴(kuò)展性。本文中測試環(huán)境由EPA安全交換機(jī)連接若干現(xiàn)場設(shè)備和測試機(jī)組成。測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 EPA交換機(jī)測試系統(tǒng)

測試的性能指標(biāo)包括吞吐量、丟包率、延遲測試。吞吐量測試用Sniffer按指定速率將不同長度包發(fā)送給EPA交換機(jī)，在發(fā)送端和接收端用 Ethereal統(tǒng)計(jì)接收到的包。如果發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包數(shù)量相等，增加發(fā)包速率，如果不等則減少發(fā)包速率，然后測試重新開始。每次測試時(shí)長約為120s。在本文中，只是在最大傳輸速率下測試EPA路由設(shè)備的丟包率，即在最大傳輸速率情況下，按照指定字節(jié)數(shù)，用Sniffer持續(xù)發(fā)送指定長度字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)報(bào)文，同時(shí)在發(fā)送端用Ethereal記錄發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量，在接收端統(tǒng)計(jì)接收到端口收到的包數(shù)量。EPA交換機(jī)延遲測試是在指定的幀大小情況下，用 Sniffer以被測設(shè)備的吞吐率連續(xù)發(fā)送一組幀，Ethereal會(huì)紀(jì)錄發(fā)送報(bào)文的時(shí)間以及數(shù)據(jù)報(bào)文通過EPA交換機(jī)并且轉(zhuǎn)發(fā)出去的時(shí)間，被測設(shè)備的延遲就是這兩個(gè)時(shí)間之差。測試結(jié)果表明，EPA安全交換機(jī)能夠有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，并具有較低的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)丟包率滿足EPA協(xié)議的要求。

結(jié)語

作為現(xiàn)場設(shè)備層和過程控制監(jiān)控層的連接設(shè)備，嵌入式EPA安全交換機(jī)扮演著重要角色。EPA安全交換機(jī)通過EPA協(xié)議以及軟件功能模塊的細(xì)化確保了數(shù)據(jù)通信的可靠傳輸，同時(shí)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)和現(xiàn)場低功耗設(shè)備供電也起到重要作用。

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