以太網交換機技術已經越來越成熟穩定，由于工業中的以太網交換機與我們平常使用的交換機有很多相同點，所以工業以太網交換機的設計也借用了商用交換機的原理。隨著以太網技術的迅速發展及其在商用領域的應用日漸廣泛，越來越多的工業控制設備也逐漸使用以太網并采用TCP/IP協議作為主要的通信標準。

雖然應用于工業控制領域的以太網標準與商用以太網相同，但在工業控制領域，還需要網絡能在比較惡劣的工作環境下穩定地工作。因此，用來連接工業設備的網絡產品需要經過特別設計，才能提供工業級的可靠性，以滿足長期連續運行的需求。另外，在工業控制領域，所需連接的設備分布較分散，單個地方連接設備少，這就對支持光纖冗余環路的8端口的光纖網絡交換機產品有了較大需求。為了實現光纖冗余環路功能，需要采用高性能的微處理器實現網絡的管理和控制功能，并采用高性能的網絡交換芯片實現基本的10/100M以太網交換功能。下面主要介紹CPU采用32位ARM內核微處理器、具有6個10/100M雙絞線端口和兩個100M光纖端口、可實現冗余環路功能的工業以太網交換機的軟、硬件設計思路。

1 硬件設計

光纖環路工業以太網交換機硬件主要分成兩個模塊：CPU模塊和交換模塊。下面分別對這兩個模塊進行詳細介紹。

1.1 CPU模塊

CPU模塊又可以劃分為兩部分，即電源部分和CPU及外圍電路部分。電源部分要求提供兩路10～40V的直流電源，這兩路電源互為備份，只要其中一路電源是正常的即可使系統正常供電。另外，這兩路電源的正常與否由連接到CPU上的兩個LED發光管指示，CPU如果發現有一路不正常，就會驅動報警指示燈指示此路電源不正常，并驅動繼電器接通另一路電源。如果兩路同時不正常，由于繼電器的報警輸出為常閉觸點，CPU無輸出信號，繼電器的觸點是閉合的，因此可以向遠端提供報警信息。

MAX788是開關穩壓管，該穩壓管的輸出電壓為3.3V，輸出最大電流為5A，輸入電壓范圍為8V～40V，內部開關頻率為100kHz。以太網交換機的CPU選用Atmel公司的32位ARM內核微處理器芯片AT91M40800，RAM采用高速256K×16位的SRAM CY7C1041BV33。

FLASH存儲器29W400用來保存程序和一些配置信息，它的容量為256K×16位。AT91M40800的串口擴展一個RS-232接口，PC機通過RS-232口直接對以太網交換機進行一些管理和設置。MAX823是一個帶WATCHDOG功能的電源監視芯片，提供可靠的復位信號。CPU模塊和交換模塊之間通過40芯的插座進行連接，主要對交換芯片實現寄存器設置和網絡數據讀寫功能。JTAG端口實現對AT91M40800的實時仿真和將程序下載到FLASH存儲器中。

1.2 交換模塊

交換模塊主要由MAC層主交換芯片VT6510B和物理層芯片RTL8208組成。主交換芯片采用VIA公司生產的VT6510B，該芯片有9個10/100M端口和1個1G端口，內嵌384KB的控制RAM和包交換緩沖RAM，可以實現完整的交換功能;另外提供主機接口，以便外部CPU對本交換芯片進行初始化和管理。

8個10/100M端口通過RMII接口與Realtek公司生產的物理層芯片RTL8208連接。RTL8208芯片共集成了8個物理層的端口，這8個端口可以配置成采用10/100BASE-TX(雙絞線接口)或100BASE-FX(光纖接口)。本系統采用了6個10/100BASE-TX端口和兩個100BASE-FX端口。6個10/100BASE-TX端口需要通過隔離變壓器HR604009與RJ-45接口連接，HR604009是一個提供4路RJ-45接口的隔離變壓器。兩個100BASE-FX端口可以直接與光纖收發器V23826連接，該收發器提供單模SC接口。

另外，物理層芯片RTL8208可以通過串行移位寄存器74HC164外接LED發光管輸出顯示每個網絡端口的狀態。由于VT6510B和RTL8208的核心工作電壓是2.5V，所以還要采用低壓降的穩壓芯片MAX1818把3.3V的電壓降到2.5V。

2 軟件設計

本交換機軟件設計的主要任務是對交換芯片VT6510B的寄存器進行設置，使之能實現基本的交換功能;另外可以由上位機通過RS-232口或以太網交換機上的網絡端口對本交換機進行設置，實現網絡端口的狀態監視、冗余環路、虛擬局域網等各項高級管理功能。根據產品的設計要求，交換機的軟件可以劃分為以下幾部分：

(1)初始化

主要完成對CPU各寄存器的初始值設置和對交換芯片的各個寄存器的初始值設置，啟動交換機開始工作。

(2)網絡協議

實現802.1d、802.1w、802.1q以及PING、ARP、BOOTP、IP、TCP、UDP等網絡協議。

(3)網絡管理及功能設置

通過RS-232口實現對交換機一些基本參數的設置和狀態監視。另外在實現上述網絡協議的基礎上，也可以直接通過網絡實現對以太網交換機的參數設置和實時狀態監視。

(4)故障診斷及冗余環路實現

實現對電源及以太網交換機其它部件的故障自診斷和報警，按照所設定的冗余環路實現協議和策略，監視網絡當前連接狀態并實現網絡的自愈功能。由于工業以太網交換機與通常的商用交換機有很多的共同點，又有一些不同點，因此在設計時借鑒了商用以太網交換機的原理，同時又兼顧到了工業以太網設備的特點。本設計選用了功能較強的交換芯片、網絡物理層芯片和收發接口電路，并采用了基于ARM內核的32位嵌入式處理器來實現交換機的高級網絡功能。