南京南瑞集團公司 馬曉軍 莫 非

一、電力以太網(wǎng)交換機概述

電力專用工業(yè)以太網(wǎng)交換機是面向智能變電站應(yīng)用而開發(fā)的高性能、高可靠和高安全的工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。它充分考慮了變電站的嚴酷工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)通信需求，采用了電信級以太網(wǎng)、硬件時間戳、QoS、智能內(nèi)容識別等先進技術(shù)，使得智能變電站通信系統(tǒng)更加可靠；能有效地抵御DOS攻擊，保證GOOSE報文優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間精確同步。

二、88E6095芯片介紹

88E6095是Marvell公司設(shè)計的一款網(wǎng)絡(luò)交換芯片。該芯片集成了MAC和PHY，有11個端口，可以提供三個千兆的以太網(wǎng)網(wǎng)口和8個百兆的以太網(wǎng)網(wǎng)口，時鐘源頻率25MHz。其中P0～P7,8個端口支持10BAST-T/100 BAST-T；P8、P9、P10端口都支持三種接口：SEDES接收器、外接10/100/1000M Copper PHYS、1000BASE-X的光纖端口，能夠直接連接到光放大器。

另外，P9還支持MII-MAC/PHY,P10還支持(G)MII-MAC/PHY。

該芯片支持VLAN、STP生成樹協(xié)議和QoS。

三、設(shè)計思路

1.采用4片88E6095F芯片進行互連，完成交換功能。

2.每個芯片上的3個Serdes千兆端口都是兩兩互聯(lián)的。

3.為了避免成環(huán)，默認開啟88E6095的24P模式（級聯(lián)模式）。

4.交換機由AMR9 CPU進行管理。

四、具體實現(xiàn)

1.電源采用12V穩(wěn)壓電源供電，經(jīng)過LM1085-5.0電源轉(zhuǎn)換芯片輸出5V的穩(wěn)壓電源，再經(jīng)過3塊電源轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)AN2106分別輸出3.3V、2.5V和1.2V的電壓用來給交換芯片88E6095和其他部件供電。

2.復(fù)位可以通過按鍵復(fù)位，也可以通過上電復(fù)位。復(fù)位信號通過74LVC00芯片給出至4片88E6095交換芯片。

3.晶振提供25M的時鐘輸出，通過時鐘驅(qū)動芯片CY23EP05將時鐘分成4份分別為4片88E6095提供所需時鐘。

4.每片88E6095可以提供8個百兆口和3個千兆口，分別對應(yīng)芯片的P0-P10。每片88E 6095的P0-P7口分別對應(yīng)RJ45中的1-8口，P8、P9千兆口用于芯片之間的互聯(lián)。為了避免成環(huán)，需要將88E6095設(shè)置成24P模式（級聯(lián)模式），即將芯片的87腳電平拉高；同時，P8_MODE要配置成跨芯片Serdes模式；P9_MODE[2∶0]需要配置成100的跨芯片級聯(lián)模式；P10_MODE[2∶0]需要配置成111的Disable模式。

5.此交換機四個芯片依次編號為A，B，C，D。每個芯片上的3個Serdes千兆端口都是兩兩互聯(lián)的，最終形成一個Mesh結(jié)構(gòu)。這么做的目的是任意兩個芯片上的端口在數(shù)據(jù)通道上只經(jīng)過一級Serdes，降低轉(zhuǎn)發(fā)時延。為了避免成環(huán)，將Serdes端口的Port-based VLAN設(shè)定為0xff，即三個serdes端口間互不收發(fā)報文。三個Serdes都設(shè)置成DSA模式，到CPU路徑最短的端口設(shè)置成CPU port，控制管理報文經(jīng)過這些端口最終傳遞給ARM9 CPU。ARM9 CPU(AT91RM9200)作為控制管理CPU，內(nèi)核為ARM920T，主頻為180MHz，外圍配置了64M字節(jié)的SDRAM和16M字節(jié)的Flash存儲器。

五、軟件程序

程序燒寫在16M字節(jié)的Flash中，F(xiàn)lash芯片被分為5個區(qū)，如表1所示。

表1

六、邏輯框圖

七、軟件設(shè)計

AMR9 CPU(AT91RM9200)有免費的開發(fā)工具，可以實現(xiàn)C/C++語言的編程，使代碼更具有可讀性。其軟件設(shè)計主要實現(xiàn)以下功能：

(1)初始化

主要完成對AT91RM9200各寄存器的初始值設(shè)置和對交換模塊的各個寄存器的初始值設(shè)置。AT91RM9200在工作之前，必須進行必要的初始化，主要包括時鐘電路、復(fù)位發(fā)生器、通用寄存器等。

剛上電的時候，AT91RM9200的I/O口對交換模塊發(fā)送一個復(fù)位信號，使得交換模塊各端口為輸入，然后讀取各端口的狀態(tài)，啟動交換模塊開始工作；再對88E6095端口寄存器進行初始化，使它們能正常工作。

(2)快速生成樹算法

本設(shè)計的交換機是光纖環(huán)自愈的設(shè)計思想，在初始化以后，進入主程序，執(zhí)行生成樹算法，去除環(huán)冗余回路，確定拓撲結(jié)構(gòu)。

(3)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

要實現(xiàn)電力以太網(wǎng)交換機跟以太網(wǎng)其他設(shè)備的通信，只需要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議就可以了。因為ARM內(nèi)部資源不足，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要配置特定的TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)相關(guān)的功能即可，如ARP協(xié)議、IP協(xié)議、UDP協(xié)議、TCP協(xié)議、HTTP協(xié)議等。

(4)網(wǎng)絡(luò)管理及功能設(shè)置

通過AT91RM9200的RS232接口傳輸和接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，可以直接通過RS232的調(diào)試口，實現(xiàn)對交換機的參數(shù)設(shè)置和實時狀態(tài)監(jiān)視。

(5)故障診斷和自愈實現(xiàn)

當電源和交換機的部件出現(xiàn)故障時，有自診斷和報警功能，有硬件的節(jié)點輸出告警信號。當程序跑飛或者陷入死循環(huán)，看門狗電路能夠重新啟動交換機，實現(xiàn)自愈功能。

八、結(jié)語

此款交換機采用了88E6095跟AT91RM9200相結(jié)合的設(shè)計。雖然稍微提高了成本，但是帶來了性能的大幅度提高。它提供24個100BASE-T RJ45接口，4個100BASE-FX ST光口，提供一個RS232管理接口，提供兩路220V交/直流電源冗余輸入，有很好的安全可靠性，抗干擾能力強。用戶可以通過網(wǎng)管軟件對交換機進行參數(shù)配置，增加了靈活性；還可以通過級聯(lián)多片88E6095，擴展以太網(wǎng)的接口，配置成自己需要的以太網(wǎng)交換機。這樣的交換機能夠滿足電力系統(tǒng)內(nèi)部的通信要求。

[1]88E6092/6095/6095F.Marvell datesheet.2005.

[2]電力專用以太網(wǎng)交換機技術(shù)規(guī)范.

[3]西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機應(yīng)用指南.

[4]ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].清華大學出版社,2011.