丁 進(jìn)，徐國(guó)強(qiáng)

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006)

?

雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口自動(dòng)切換測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁 進(jìn)，徐國(guó)強(qiáng)

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006)

目前雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口得到了廣泛應(yīng)用，而專用測(cè)試設(shè)備匱乏，為解決這一問(wèn)題，研制出基于單片機(jī)的雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口測(cè)試系統(tǒng)。雙冗余網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換測(cè)試系統(tǒng)使用AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，采用MAX4890完成雙冗余網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口快速自動(dòng)切換的功能。該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小巧，切換動(dòng)作快，配合網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)(如泰克、安捷倫等專用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多臺(tái)雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的切換和性能測(cè)試。本電路系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

單片機(jī)；雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口；自動(dòng)切換；眼圖測(cè)試

0 引 言

隨著電子系統(tǒng)可靠性要求越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)接口雙冗余技術(shù)的應(yīng)用也逐漸普及，相關(guān)硬件和軟件技術(shù)手段已非常成熟。實(shí)現(xiàn)方案上，硬件采用Intel等廠商的網(wǎng)絡(luò)芯片，軟件通過(guò)編寫網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，將網(wǎng)絡(luò)A和B組成1組雙冗余的網(wǎng)絡(luò)接口，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口A異常時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口B能夠在軟硬件支持的情況下自動(dòng)切換到外部對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口上，網(wǎng)絡(luò)IP地址等信息不變，實(shí)現(xiàn)該雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口通信不間斷，對(duì)于通信對(duì)端設(shè)備實(shí)現(xiàn)了透明的切換通信，有效提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙冗余網(wǎng)路接口功能性能指標(biāo)的快速、高效測(cè)試，確保接口能夠滿足用戶和市場(chǎng)需求，需要開(kāi)發(fā)一種測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙冗余網(wǎng)路接口的切換功能、切換時(shí)間等指標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)試，以改善目前通過(guò)手動(dòng)切換雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口性能指標(biāo)測(cè)試的方法，提高可靠性和效率。

雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口產(chǎn)品的指標(biāo)一般包括能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換的A、B通道，通信正常，切換時(shí)間快(一般不大于90 ms)。因此，開(kāi)發(fā)1套雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口測(cè)試系統(tǒng)，需要包括以下幾個(gè)部分：被測(cè)雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口(DUT)，自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)完整性測(cè)試設(shè)備。本文主要在基于自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換電路開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，集成了FLUKE的網(wǎng)絡(luò)物理層測(cè)試設(shè)備和泰克的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)完整性測(cè)試設(shè)備[1]，最終組成1套完整的雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口測(cè)試系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口的自動(dòng)化測(cè)試，模塊以一款簡(jiǎn)單通用的單片機(jī)作為核心，單片機(jī)選型AT89S51[2]，采用MAXIM公司提供的專用網(wǎng)絡(luò)切換芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的自動(dòng)化選通和切換。外圍電路上，采用常用電源供電電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)切換芯片的5 V、3.3 V供電。通過(guò)采用RS232串口，編制通信協(xié)議和定義命令格式，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，并達(dá)到自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)接口切換的功能；通過(guò)狀態(tài)指示燈實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不同接口、不同通道切換后的狀態(tài)指示。模塊電路系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。模塊能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)2路雙冗余共4路網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換的功能，提高測(cè)試的效率，同時(shí)能夠保證可靠性。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

下面分別從硬件和軟件2個(gè)方面描述雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口切換測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)切換硬件電路設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)有常用的雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口主要有百兆和千兆網(wǎng)絡(luò)，為滿足雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口的切換測(cè)試需求，網(wǎng)絡(luò)切換芯片選用MAX4890[3]，該芯片特性如表1所示。

通過(guò)表1可以得出結(jié)論，設(shè)計(jì)用來(lái)專門進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口切換的芯片MAX4890能夠滿足切換需求，按照行業(yè)要求百兆網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間應(yīng)小于90 ms，該芯片本身的切換時(shí)間能夠滿足，其他的指標(biāo)也能夠滿足抗惡劣環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)切換需求。

表1 MAX4890芯片的特性

圖2所示為MAX4890芯片的實(shí)際硬件設(shè)計(jì)電路，設(shè)計(jì)中采用3.3 V電源供電，通過(guò)水晶頭將A、B 2路的網(wǎng)絡(luò)切換選通后，通過(guò)輸出端口進(jìn)行對(duì)外連接。同時(shí)用1個(gè)跳線選擇自動(dòng)化軟件控制切換或者手動(dòng)選擇切換。若采用自動(dòng)化切換方式，則由外部的串口通信控制單片機(jī)的一個(gè)控制引腳，該信號(hào)對(duì)MAX4890的SEL選擇信號(hào)進(jìn)行選通；若采用手動(dòng)切換方式，則通過(guò)手動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)的控制，對(duì)A、B通道進(jìn)行選通，在手動(dòng)選通的過(guò)程中通過(guò)指示燈點(diǎn)亮的方式指示被選通的通道。

2.2 軟件設(shè)計(jì)原理

雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口切換測(cè)試系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)作為主控通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)串口接收命令和數(shù)據(jù)。若接收到數(shù)據(jù)則進(jìn)行協(xié)議幀解碼，判讀數(shù)據(jù)是否為合格。對(duì)合格數(shù)據(jù)中的內(nèi)容進(jìn)行分析，確認(rèn)需要切換到A或者B通道后，完成對(duì)MAX4890芯片的通道選通，最終實(shí)現(xiàn)雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口的切換功能。在切換功能完成后，通過(guò)串口回復(fù)切換動(dòng)作執(zhí)行得正確與否。全部的軟件流程如圖3所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與性能測(cè)試

在硬件和軟件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口切換測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示，采用ATX電源四芯電源連接器或者USB接口電源的+5V供電，單片機(jī)AT89S51負(fù)責(zé)串口通信和對(duì)MAX4890切換芯片的選通控制，通過(guò)通道狀態(tài)指示燈進(jìn)行通道選通狀態(tài)指示，支持手動(dòng)和自動(dòng)2種方式進(jìn)行控制。在進(jìn)行雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口模塊測(cè)試時(shí)，能夠以手動(dòng)方式為主，進(jìn)行模塊性能的測(cè)試。結(jié)合自動(dòng)化測(cè)試軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化串口通信控制的通道切換測(cè)試。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合百兆和千兆網(wǎng)絡(luò)接口的測(cè)試，采用DSA71604B高性能示波器，對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行信號(hào)完整性測(cè)試，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通道切換后，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)完整性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。從眼圖測(cè)試結(jié)果可以看出，網(wǎng)路接口在經(jīng)過(guò)切換后，信號(hào)基本滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)眼圖要求[4]。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，百兆和千兆網(wǎng)絡(luò)接口雙冗余切換測(cè)試功能正常，網(wǎng)絡(luò)通信功能正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口切換測(cè)試模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，在模塊接口測(cè)試、系統(tǒng)功能測(cè)試等方面進(jìn)行了功能驗(yàn)證，能夠支持切換時(shí)間小于90 ms的測(cè)試功能，其他各方面指標(biāo)滿足系統(tǒng)使用要求。同時(shí)在調(diào)試測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于隔離度不夠，在轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)過(guò)多的情況下，耦合帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)串?dāng)_需要在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)注意，放置在切換過(guò)程中導(dǎo)致的相鄰?fù)ǖ篱g的信號(hào)干擾，尤其是在網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)TLP信號(hào)互相干擾導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常通信。

在產(chǎn)品的測(cè)試和試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠有效運(yùn)用在雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口測(cè)試領(lǐng)域和其他需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換的冗余備份技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

[1] 常冬冬.以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)試及故障預(yù)診斷研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[2] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3] Maxim Integrated Products.10/100/1 000 Base-T以太網(wǎng)LAN開(kāi)關(guān)[EB/OL].http://www.maximintegrated.com/cn/products/comms/optical-communications/MAX4890.html,2007-08-10.

[4] 柳揚(yáng)，李巍.快速以太網(wǎng)100Base-TX PMD電氣特性測(cè)試[J].通信世界，2008(38B):4-5.

DesignandRealizationofDualRedundantNetworkInterfaceAuto-switchTestingModuleBasedonMCU

DING Jin,XU Guo-qiang
(Jiangsu Automation Research Insititute,Lianyungang 222006,China)

At present,dual redundant network interface equipment are widely used,while special testing equipment is not synchronously developed.To solve this problem,a kind of testing system for dual redundant network interface based on micro control unit (MCU) is designed.In the dual redundant network interface auto-switch testing system，the AT89S51 MCU is used as main control chip,and MAX4890 is used for auto switching to the dual redundant network interface.This testing system is simple,small and capable of rapid switching.Cooperating with network testing system(such as Tektronics,Agilent,etc.),the system can automatically switch among multiple dual redundant network interface equipments and test the performance.This circuit system operates stably and reliably.

micro control unit;dual redundant network interface;auto-switch ;eye-diagram test

2017-04-19

TP393.06

：A

：CN32-1413(2017)03-0089-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.022