工业现场以往使用各种工业现场总线将各种工业设备连接在一起，形成工业 控制网络，但随着工业客户需求的不断提升，现场总线已经不能满足工业客户 日益增加的新需求。也由于各种现场总线标准的不统一，限制了工业现场总线 的进一步发展。于是，工业客户将目光投向了在商用行业应用成功的以太网技 术。
工业以太网交换技术是近两年在工业行业兴起的一门边沿技术，是将商用网 络交换技术应用于工业现场，同时也增加了许多工业属性，如模组化、EMC特性、 EMI特性、冗余特性、精密时钟、散热特性、防护特性、组态特性等。以满足工 业现场复杂多变的环境适应性。
东土公司发明的卡规式模组化工业交换机，是在分析工业行业的各种需求后 研制的具有突出创新性产品。

本发明将工业交换机按照各种属性分解成各种模块：包括模块1-底版、模块2- 千兆接口板、模块3-+24V电源板、模块4-SWITCH板、模块5-CPU管理板、 模块6-百兆电接口板、模块7-百兆光接口板、模块8-带PTP功能电接口板、 模块9-带PTP功能光接口板、模块10-百兆光电口混合接口板、模块11-带 PTP功能光电混合接口板。同时考虑到各种模块的EMC、EMI特性、散热问题、 供电问题、指示问题以及整体系统信号的完整性的问题。同时在该交换机中还 引入了快速冗余技术、精密时钟同步技术，其特征如下：
所述工业交换机其特征模组化的工业交换机，可以根据用户不同需求进行 灵活配置。
所述工业交换机用于冷却采用被动冷却系统是单肋结构，该系统可使工业 交换机工作在-40℃~+75℃之间。
所述工业交换机可以电源接口抵抗±4KV的浪涌电压的冲击特征。
所述工业交换机数据接口可以抵抗±2KV的浪涌电压的冲击特征。
所述工业交换机各种端口可以抵抗±4KV快速群脉冲的干扰特征。
所述工业交换机可以抵抗8KV接触放电，15KV的空气放电干扰特征。
所述工业交换机可以通过WEB管理软件对设备进行各种管理的特征。
所述工业交换机可操作DT-ring，配置快速冗余环网的网络特征。
所述工业交换机可操作精密同步时钟同步，为网络的其他单元提供精密同 步时钟的特征。
其特征在于该工业交换机软件操作可以实现集群管理。
其特征在于该工业交换机软件操作可以实现静态多播功能。
其特征在于该工业交换机所支持的DT-ring协议的倒换时间可以小于 100ms。
其特征在于该工业交换机所有的业务端口都可以支持DT-ring协议。
其特征在于工业交换机可以最多组成12个百兆冗余环网。
其特征在于工业交换机可以最多组成2个千兆冗余环网。
其特征在于工业交换机可以组成光电口混合冗余环网。
其特征在于该工业交换机所支持的精密同步时钟的传输精度可达微妙级。
其特征在于该工业交换机百兆光口可以支持精密同步时钟传输。
其特征在于该工业交换机百兆电口可以支持精密同步时钟传输。
其特征在于该工业交换机可以给出告警的干节点，其可用于报警软件的触 发、音频和视觉告警信号。
其特征在于模块1---底板的提供10个槽位。
其特征模块1---底板槽位5~10可以任意插接模块6~模块11的任意一种。
其特征模块1---底板槽位1只能插接模块2-千兆接口板。
其特征模块1---底板槽位2只能插接模块3-电源接口板。
其特征模块1---底板槽位3只能插接模块4-SWITCH接口板。
其特征模块1---底板槽位4只能插接模块5-CPU接口板。
其特征在于双嵌入式软件备份提高了系统的可靠性和系统的可维护性。
附图说明
图1硬件系统原理框图
图2软件系统原理框图
图3底板图
图4底板总成
图5模块2-千兆接口卡原理框图
图6模块3---电源接口卡原理框图
图7模块4-SWITCH卡原理框图
图8模块5-CPU卡原理框图
图9模块8、9、11---带PTP功能百兆接口卡原理框图
图10FPGA程序工作原理框图
图11模块6、7、0---百兆接口卡原理框图
图12散热系统
图13数据报文收发模块流程图
图14定时器模块流程图
图15Sync处理模块流程图
图16Follow_Up处理模块流程图
图17Delay_Req处理模块流程图
图18Delay_Resp处理模块流程图
图19系统管理模块框图
图20WEB管理模块功能框图
图21静态组播模块实现
图22结构图

系统总体设计包括了硬件和软件两大模块，硬件模块设计主要考虑系统信号的 完整性，电磁防护特性、散热特性、模块的可维护性。软件部分设计主要考虑 系统软件的可靠性、软件功能的模块性、公共适配特性、可移植重复利用特性、 双备份的特性。
1.1硬件实现方法
硬件实现方法将工业交换机根据功能模块划分成六大模块，包括模块1-底版、 模块2-千兆接口板、模块3-+24V电源板、模块4-SWITCH板、模块5-CPU 管理板、模块6、模块7-百兆光电口接口板、模块8、模块9-带PTP功能光 电口接口板，每中模块设计考虑信号的完整性、模块的散热特性、EMC、EMI 特性以及系统设计的可扩展性；系统原理框图如图1。
1.2软件实现方法
软件实现方法划分为四层，包括硬件驱动层、系统平台层、二层协议层、应用 操作层，设计过程中主要考虑各层之间的模块化处理、各层之间的适配关联、 应用操作的人性化、系统功能的完整性以及软件的可读、可维护性。软件系统 框图如图2
硬件驱动层包括对硬件各类寄存器的访问控制和对上层的接口识配。
系统平台包括系统操作系统及任务调度
二层协议层包括DT-Ring、VLAN、IGMP、静态组播、RSTP、ACL等各种协 议软件模块
应用操作层包扩WEB接口及界面、SNMP、CLI、PTP等功能模块。
2、具体实现
2.1硬件实现
2.1.1模块1---底板实现
底板接口分为两种，一种是48脚的EPT插头104-90064，另一种是EPT的 243-11310-15，其中243-11310-15在带屏蔽的情况下，可以走2.5G的信号，槽位2、 槽位5～10使用的是104-90064；
槽位1、3、4使用的是243-11310-15。底板如图3
底板实现主要考虑信号传输的完整性，抗干扰性
考虑电源系统的可靠性底板采用24V电源为系统供电。
考虑外界的干扰的屏蔽，底板的外壳设计采用全封闭的模式，提高系统的可靠 性，同时也考虑到安装和运输的安全性，采用铝制型材的机械结构。底板总成 如图4
2.1.2模块2---千兆接口卡实现
模块2-千兆接口卡实现考虑六个问题：高速信号线的平衡及信号的完整性，接 口部分的保护，电源转换系统的可靠性，板卡上联的识别与显示，外部电磁干 扰及自身电磁辐射，模块散热。模块2-千兆接口卡原理框图如5
●数据接口抵抗±2KV的浪涌电压的冲击特征。
●数据端口可以抵抗±4KV快速群脉冲的干扰特征。
●抵抗8KV接触放电，15KV的空气放电干扰特征。
●模块2-千兆接口卡与模块4---SWITCH卡之间通信采用Serdes总线。模块 2-千兆接口卡与模块5---CPU卡之间通信采用SPI总线接口。
2.1.3模块3---电源接口卡实现
模块3---电源接口卡实现主要考虑整机EMC、EMI特性的问题，电源冗余输 入及电源失效告警。EMC设计特性达到如下指标，模块3---电源接口卡原理框 图如图6
●电源接口抵抗±4KV的浪涌电压的冲击特征。
●电源端口可以抵抗±4KV快速群脉冲的干扰特征。
●抵抗8KV接触放电，15KV的空气放电干扰特征。
2.1.4模块4---SWITCH卡实现
模块4---SWITCH卡实现主要考虑高速信号线、低速信号的平衡及信号的完整 性，主体时钟，以及SPI总线的可靠性，电源转换系统的可靠性，板卡下联的 识别与显示，外部电磁干扰及自身电磁辐射，模块散热。模块4-SWITCH卡原 理框图如图7
抵抗8KV接触放电，15KV的空气放电干扰特征。
模块4---SWITCH卡与模块5---CPU卡通信采用MII、SPI总线接口，与各种百 兆模块之间采用差分总线接口。模块4---SWITCH卡与模块2-千兆接口卡之间 的通信采用Serdes总线。
2.1.5模块5---CPU卡实现
模块5---CPU卡实现主要考虑，实时时钟的可靠性，SPI总线的可靠性，CPU与 存储器件的通信可靠性，以及电源的可靠性的设计。告警输出的干结点的可靠 性，控制接口的可靠性及EMI、EMC的防护设计。
●数据接口抵抗±2KV的浪涌电压的冲击特征。
●数据端口可以抵抗±4KV快速群脉冲的干扰特征。
●抵抗8KV接触放电，15KV的空气放电干扰特征。
●模块5---CPU卡与模块4---SWITCH卡通信采用MII、SPI总线接口，模 块5---CPU卡与各种模块之间采用SPI总线接口。自动识别各种板卡的种 类。
2.1.6模块8、9、11---带PTP功能百兆接口卡实现
模块8、9、11---带PTP功能百兆接口卡实现，考虑以太网中PTP包的监听、解 包、维护时钟等信息，考虑高速总线及SPI总线的安全、端口的EMC防护、EMI 防护、散热电源等，原理框图如9。
●数据接口抵抗±2KV的浪涌电压的冲击特征。
●数据端口可以抵抗±4KV快速群脉冲的干扰特征。
●抵抗8KV接触放电，15KV的空气放电干扰特征。
●模块8、9、11-带PTP功能百兆接口卡与模块5---CPU卡通信采用SPI 总线；模块8、9、11-带PTP功能百兆接口卡与模块4---SWITCH卡采 用数字差分总线。
此精密时钟同步协议实现原理如图9所示，在保证以太网通信正常的基础上， 同时将信号连接到PHY芯片上，通过SMII接口与FPGA芯片相连，采用监听 以太网数据包的方式，通过FPGA抓取以太网数据包的详细信息，获取以太网 数据包的时钟同步信息，从而实现了精确的时钟同步协议。
FPGA程序的实现原理框图如下图10所示，由于采用监听的模式，FPGA只 解析PHY收到的数据，将其收到的数据经过FIFO后，通过解包模块，将其数 据包中的时间戳等相关信息解出，通过SPI总线与cpu之间实现数据交互，同时 维护时钟系统，从而实现此精确时钟同步协议。
2.1.7模块6、7、10---百兆接口卡实现
模块6、7、10-百兆接口卡实现考虑六个问题：高速信号线的平衡及信号的完 整性，接口部分的保护，电源转换系统的可靠性，板卡上联的识别与显示，外 部EMC及自身EMI的要求，模块散热。模块6、7、10-百兆接口卡原理框图 如11。
●数据接口抵抗±2KV的浪涌电压的冲击特征。
●数据端口可以抵抗±4KV快速群脉冲的干扰特征。
●抵抗8KV接触放电，15KV的空气放电干扰特征。
●模块6、7、10-百兆接口卡与模块5---CPU卡通信采用SPI总线；模块 6、7、10-百兆接口卡与模块4---SWITCH卡采用数字差分总线。
2.1.8散热系统实现
芯片散热的方式如图12所示，系统中所有功率器件散热主动散热的方式，由于 系统分布功率设计，可使系统工作温度在-40℃～+75℃之间。外壳肋板采用竖型 方式，符合热力学热流动原理。每个模块之间设计散热间隙，符合热流动原理。
2.2软件实现
2.2.1DT-ring模块实现
DT-RING模块是一种工业环境下的以太网快速、可靠冗余环网的倒换设计方法， 其特征是指定环网中的主站/从站节点；指定每个交换节点的环端口及环端口的 Forward、Block状态；主站节点通过Forward状态端口发送TEST报文，Block状 态的端口检测TEST报文；主从站节点快速检测被指定的环端口的LINK-UP、 LINK-DOWN状态，转发并刷新MAC地址；从站收到主站发出的拓扑改变的报文 后刷新MAC地址。整个拓扑改变到重新构成达到稳态时间小于100ms。
主站有3种状态，分别为起始状态、环-开状态和环-关状态；由协议报文和本 站环端口状态控制协议状态迁移。无论处于何种状态，主站都会向主环端口发 送TEST报文，用于检测环路状态。
起始状态：当环端口只有一个为LINK-UP时的状态，不需要协议对协议报文进行 任何处理，只检测环端口LINK-UP事件，当次环端口LINK-UP后，将状态转到环- 关状态，同时设置次环端口为BLOCK状态。
ID Event       CONDITION   ACTION               NEXT-STATE
1  Link-up     只有一个环  NULL                 Self
               端口Link-up
2  Link-up     有两个环端  当前Link-up端口设置  环-关状态
               口Link-up   为次环端口；
                           状态设置为BLOCK
3  接收到协议  NULL        NULL                 NULL
   报文；类型
   为Link-up
环-关状态：DT-RING环在物理上的连接状态；环上的每个端口状态都为LINK-UP 状态，此时物理上已经成环。
ID Event       CONDITION   ACTION             NEXT-STATE
1  Link-down   主环端口    清环端口上的FDB表；起始状态
                           设置次环端口为转发
                           状态；
                           向次环端口发送协议
                           报文，类型为拓补改
                           变；
2  Link-down   次环端口    NULL               起始状态
3  接收到协    NULL        设置次环端口转发状 环-开状态
   议报文，类              态；
   型为                    向环端口发送协议报
   Link-down               文，类型为拓补改变。
4  接收到协    NULL        NULL               环-关状态
   议报文，类
   型为Link-up
5  TEST报文    NULL        设置次环端口转发状 环-开状态
   超时                    态
                           发送协议报文，类型为
                           拓补改变。
环-开状态：DT-RING环在物理上的连接状态；环上的端口至少有一个是 LINK-DOWN状态；主环此时不能接收到自己从主环端口发送的Hello报文。
ID Event        CONDITION  ACTION               NEXT-STATE
1  接收到Hello  NULL       将次环端口状态设置   环-闭状态
   报文                    为阻塞状态
                           从次环端口发送协议
                           报文；类型为拓补改变
2  接收到协议   NULL       将次环端口状态设置   环-闭状态
   报文；报文              为阻塞状态
   类型为                  从次环端口发送协议
   Link-up                 报文；类型为拓补改变
3  Link-down    主环端口   将次环端口状态设置   起始状态
                           为转发状态
                           次环端口自动变为主
                           环端口
                           发送协议报文；报文类
                           型为拓补改变
4  Link-down    次换端口   NULL                 起始状态
2.2.2PTP模块实现
■数据报文收发模块：负责接收和发送精密同步时钟数据报文。图13。
■定时器模块：负责处理精密同步时钟协议中与时间有关的信息，包括作为主 时钟端口的定时发送sync，验证超时从而端口进入主端口状态和接收sync超 时的相应处理。见图14。
■Sync处理模块：负责处理接收到sync数据报文后的相应处理。见图15。
●Follow_Up处理模块：负责处理接收到Follow_Up数据报文后的相应处理。 见图16
■Delay_Req处理模块：负责处理接收到Delay_Req数据报文后的相应处理。见 图17。
■Delay_Resp处理模块：负责处理接收到Delay_Resp数据报文后的相应处理。 见图18。
■系统管理模块：负责对整个精密同步时钟协议的的配置，运行状态检测等。 如图19。
2.2.3WEB模块实现
WEB模块实现了浏览器对交换机的管理，通过WEB页面可以显示交换的各种 工作状态，对交换机的功能进行配置，升级软件及重新启动设备等功能。WEB 模块的功能结构如图20
■用户认证模块：当用户需要使用WEB模块管理交换机时，需要输入认证信 息(用户名、密码)当系统对当前用户认证通过后方可使用WEB管理功能。
■设备状态显示模块：包含设备基本信息、端口状态及端口的流量信息。端口 状态及端口流量会定时刷新，确保信息的有效性
■设备基本配置模块：包含IP地址配置、设备名称配置、端口配置、用户认证 信息修改、软件版本查询及软件升级功能。
■设备高级配置模块：包含端口流量配置、VLAN配置管理、端口镜像配置管 理、端口聚合配置管理、静态组播地址表配置管理、IGMP Snooping配置管 理、SNMP配置管理、冗余环配置管理、端口优先级(QOS)的配置管理、 广播风暴抑制及MAC地址老化时间的配置。
■设备管理及配置保存模块：包含设备重起、用户退出认证模式、保存配置信 息及恢复默认配置。
2.2.4静态组播模块实现
静态组播模块实现，是通过手动添加静态组播表的方式，添加组播用户，相 对于动态组播具有简单、可靠、时延小等优点，并且不需要协议参与；可以通 过配置静态组播转发表，来实现多播数据的转发。实现原理框图如21。