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作者：重慶郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò )化控制與智能儀器儀表教育部重點(diǎn)實(shí)驗室 王平 寧戀 王浩 華晨 來(lái)源:電子設計應用2009年第11期 EPA交換機工作原理和功能 EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是一種全新的適用于工業(yè)現場(chǎng)設備的開(kāi)放性以太網(wǎng)標準。EPA交換機位于現場(chǎng)設備層和過(guò)程監控層的邊界上，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EPA交換機的基本功能，還要實(shí)現相關(guān)的安全機制、冗余機制，是EPA安全網(wǎng)絡(luò )中必不可少的一個(gè)環(huán)節。因此，EPA交換機應具備轉發(fā)、鏈路冗余、組態(tài)、設備定位與隔離以及安全保護五種功能。 EPA交換機的轉發(fā)功能不僅能夠轉發(fā)自己獨立的協(xié)議類(lèi)型(0X88BC)幀，而且也能夠轉發(fā)TCP/IP協(xié)議中的0X0800、0X0806等協(xié)議類(lèi)型幀。EPA交換機基于MAC地址表來(lái)轉發(fā)數據，經(jīng)過(guò)一次廣播，多次查MAC地址表來(lái)實(shí)現，主要通過(guò)EPA交換機交換芯片硬件來(lái)完成。 EPA交換機鏈路冗余功能保證了EPA工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的高可靠運行。采用MRP協(xié)議(Media Redundancy Protocol)，在EPA網(wǎng)絡(luò )中，一個(gè)EPA交換機充當MRM(Media Redundancy Manager)角色，兩個(gè)或以上交換機充當MRC(Media Redundancy Client)角色，通過(guò)對通信鏈路的管理，保證EPA工業(yè)現場(chǎng)設備層以及過(guò)程監控層之間EPA數據傳輸的可靠性。 EPA安全交換機是一個(gè)可組態(tài)的設備，因此在每個(gè)EPA安全交換機中擁有獨立的EPA協(xié)議棧用來(lái)與上位機的組態(tài)軟件進(jìn)行通信。 對于設備定位與隔離功能，組態(tài)軟件用不同的ID標識不同的EPA交換機，設備發(fā)送的報文經(jīng)過(guò)EPA交換機轉發(fā)到達上位機組態(tài)軟件前，EPA交換機會(huì )將其本身的ID加到報文的特殊字段中(可在報文保留的位置處定義)，組態(tài)軟件通過(guò)解析該字段，即可知道其設備是從屬于哪個(gè)EPA交換機。這樣，當現場(chǎng)設備工作異常時(shí)，能在組態(tài)軟件中對該設備進(jìn)行故障定位和隔離。 安全保護功能是指EPA交換機提供了相關(guān)的安全機制，如訪(fǎng)問(wèn)控制、設備鑒別、用戶(hù)認證、數據加密以及數據校驗和包過(guò)濾技術(shù)等。 嵌入式EPA交換機的模塊結構 嵌入式EPA交換機功能決定了它的模塊結構。結合操作系統μc/os，EPA交換機將每個(gè)模塊劃分為相對獨立的模塊，采用任務(wù)分配的機制，即將每一個(gè)模塊抽象為一個(gè)任務(wù)，并結合實(shí)際的情況賦予不同的優(yōu)先級，根據報文的不同調用相應的任務(wù)(即相應的模塊)進(jìn)行報文處理，各個(gè)進(jìn)程之間采用的是消息隊列或郵箱的通信機制，其模塊結構如圖1所示。 
圖1 EPA交換機模塊結構 EPA交換機硬件設計 嵌入式EPA交換機的硬件設計主要有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。本交換機采用AT91R40008作為核心控制器，該芯片屬于A(yíng)T91 16/32位處理器家族，它以ARM7TDMI內核為基礎。以太網(wǎng)控制器(MAC控制器)VT6512芯片是Layer2+層的單芯片。交換機硬件結構圖如圖2所示。
圖2 交換機硬件結構圖 IEEE 802.3af標準定義了一種允許通過(guò)以太網(wǎng)在傳輸數據的同時(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)引入現有的網(wǎng)絡(luò )基礎設施中，并且和原有的網(wǎng)絡(luò )設備相兼容，這樣小型網(wǎng)路設備就可以通過(guò)以太網(wǎng)連接供電而無(wú)需使用外接電源。圖3所示為交換機某一端口總線(xiàn)供電的電路圖。
圖3 總線(xiàn)供電電路圖 通過(guò)開(kāi)關(guān)電源模塊提供24V的直流電源。F1是一個(gè)自恢復保險絲，起到過(guò)流保護的作用。D9二極管是防止電源反接的保護，F9為壓敏電阻，起過(guò)壓保護的作用。C15、C141為一對旁路電容，使POW-A得到一個(gè)干凈的直流電源輸出。當接上負載時(shí)，LED點(diǎn)亮，表示供電正常。 交換機軟件設計 根據EPA工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，本文采用EPA交換機底層驅動(dòng)部分、EPA安全部分和EPA交換機冗余功能部分來(lái)實(shí)現EPA交換機報文轉發(fā)；采用 μC/OS-II操作系統模塊為EPA交換機中的多任務(wù)提供調度和通信功能；采用TCP/IP模塊部分實(shí)現EPA交換機中對TCP/IP報文進(jìn)行接收解析和發(fā)送的功能；采用EPA應用層通信協(xié)議棧部分實(shí)現EPA交換機的組態(tài)功能。交換機軟件功能模塊如圖4所示。
圖4 EPA交換機軟件功能模塊組成圖 EPA交換機報文接收轉發(fā)處理具體過(guò)程為：當EPA交換機某端口接收到網(wǎng)絡(luò )中的數據報文時(shí)，交與第二層交換引擎(MAC層處理芯片)處理。交換引擎根據報文中的源MAC地址更新MAC地址表，同時(shí)根據目的MAC地址作相應的處理。 交換機配置管理模塊的設計 交換機配置管理模塊主要是針對EPA交換機硬件平臺以及二層應用協(xié)議的管理與配置，其中包括生成樹(shù)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、交換機端口速率使能等。該模塊的作用是使用戶(hù)根據需要配置使用EPA交換機的功能。EPA用戶(hù)通過(guò)上位機屏蔽或打開(kāi)EPA交換機的某項功能，完成EPA網(wǎng)絡(luò )的數據通信。 底層驅動(dòng)模塊 EPA交換機底層驅動(dòng)模塊主要分為三個(gè)子模塊：BSP模塊、SSP模塊和定時(shí)器驅動(dòng)模塊。 BSP模塊實(shí)現了對嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的支持，使其能夠更好地運行于EPA交換機硬件之上。它具體負責上電時(shí)的硬件初始化、啟動(dòng)嵌入式操作系統和應用程序模塊、提供底層硬件驅動(dòng)，為上層軟件提供訪(fǎng)問(wèn)底層硬件的手段。 SSP模塊主要實(shí)現了CPU與交換芯片的軟件接口，實(shí)現報文的發(fā)送與接收功能，對上層屏蔽了底層硬件具體的實(shí)現細節，為上層提供了應用接口。 定時(shí)器驅動(dòng)為實(shí)現二層應用協(xié)議幀的發(fā)送與接收，設備聲明、設備鑒別等報文的定時(shí)重發(fā)以及EPA報文的調度和時(shí)間同步等系統所需要的定時(shí)提供了準確的時(shí)間。 TCP(UDP)/IP協(xié)議模塊和EPA協(xié)議棧模塊 EPA標準中規定EPA報文是封裝在UDP/IP協(xié)議之上的，而且具有自己獨立的幀協(xié)議類(lèi)型號0x88BC，因此還需要設計與實(shí)現適用于EPA交換機的TCP(UDP)/IP協(xié)議棧模塊；設計EPA協(xié)議棧模塊的主要功能是完成過(guò)程監控層設備對EPA交換機的組態(tài)監控功能。 EPA網(wǎng)絡(luò )安全與功能安全模塊 安全機制模塊的主要作用是提供相關(guān)的安全機制，只有通過(guò)了安全機制的報文才能向上層傳送進(jìn)行進(jìn)一步的報文處理。否則將該報文丟棄。 在整個(gè)軟件系統中，各個(gè)模塊是通過(guò)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II提供的消息機制完成任務(wù)切換。 EPA安全交換機的測試 EPA交換機的安全轉發(fā)能力是其整體功能的重要體現，其性能好壞直接影響網(wǎng)絡(luò )的規模、穩定性以及擴展性。本文中測試環(huán)境由EPA安全交換機連接若干現場(chǎng)設備和測試機組成。測試系統如圖5所示。
圖5 EPA交換機測試系統 測試的性能指標包括吞吐量、丟包率、延遲測試。吞吐量測試用Sniffer按指定速率將不同長(cháng)度包發(fā)送給EPA交換機，在發(fā)送端和接收端用 Ethereal統計接收到的包。如果發(fā)送和接收數據包數量相等，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(kāi)始。每次測試時(shí)長(cháng)約為120s。在本文中，只是在最大傳輸速率下測試EPA路由設備的丟包率，即在最大傳輸速率情況下，按照指定字節數，用Sniffer持續發(fā)送指定長(cháng)度字節數的數據報文，同時(shí)在發(fā)送端用Ethereal記錄發(fā)送數據包數量，在接收端統計接收到端口收到的包數量。EPA交換機延遲測試是在指定的幀大小情況下，用 Sniffer以被測設備的吞吐率連續發(fā)送一組幀，Ethereal會(huì )紀錄發(fā)送報文的時(shí)間以及數據報文通過(guò)EPA交換機并且轉發(fā)出去的時(shí)間，被測設備的延遲就是這兩個(gè)時(shí)間之差。測試結果表明，EPA安全交換機能夠有效實(shí)現轉發(fā)功能，并具有較低的轉發(fā)延遲，同時(shí)轉發(fā)丟包率滿(mǎn)足EPA協(xié)議的要求。 結語(yǔ) 作為現場(chǎng)設備層和過(guò)程控制監控層的連接設備，嵌入式EPA安全交換機扮演著(zhù)重要角色。EPA安全交換機通過(guò)EPA協(xié)議以及軟件功能模塊的細化確保了數據通信的可靠傳輸，同時(shí)，它對網(wǎng)絡(luò )的級聯(lián)和現場(chǎng)低功耗設備供電也起到重要作用。 參考文獻 1. China State Bureau of Quality and Technical Supervision, China State Standard “EPA System Architecture and communication Specification for use in industrial control and measurement systems”, GB/T 20171-2006, 2006, [S]. [國家質(zhì)量技術(shù)監督局，中國人民共和國國家標準“用于工業(yè)測量與控制系統的EPA系統結構與通信規范”，GB/T 20171-2006, 2006] 2. 謝淑如, 鄭光欽, 楊渝生著(zhù). Protel PCB 99SE電路板設計. 清華大學(xué)出版社2001年7月 |
