雙冗余網絡接口自動切換測試模塊的設計與實現

丁 進，徐國強

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

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雙冗余網絡接口自動切換測試模塊的設計與實現

丁 進，徐國強

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

目前雙冗余網絡接口得到了廣泛應用，而專用測試設備匱乏，為解決這一問題，研制出基于單片機的雙冗余網絡接口測試系統。雙冗余網絡自動切換測試系統使用AT89S51單片機作為主控芯片，采用MAX4890完成雙冗余網絡信號的切換，實現了對被測雙冗余網絡接口快速自動切換的功能。該測試系統結構簡單，小巧，切換動作快，配合網絡測試系統(如泰克、安捷倫等專用網絡測試設備)，能夠實現對多臺雙冗余網絡接口設備的切換和性能測試。本電路系統運行可靠、穩定。

單片機；雙冗余網絡接口；自動切換；眼圖測試

0 引 言

隨著電子系統可靠性要求越來越高，網絡接口雙冗余技術的應用也逐漸普及，相關硬件和軟件技術手段已非常成熟。實現方案上，硬件采用Intel等廠商的網絡芯片，軟件通過編寫網絡驅動，將網絡A和B組成1組雙冗余的網絡接口，當網絡接口A異常時，網絡接口B能夠在軟硬件支持的情況下自動切換到外部對應的網絡接口上，網絡IP地址等信息不變，實現該雙冗余網絡接口通信不間斷，對于通信對端設備實現了透明的切換通信，有效提高了系統網絡通信的可靠性。

為了實現對雙冗余網路接口功能性能指標的快速、高效測試，確保接口能夠滿足用戶和市場需求，需要開發一種測試系統，實現雙冗余網路接口的切換功能、切換時間等指標的自動化測試，以改善目前通過手動切換雙冗余網絡接口性能指標測試的方法，提高可靠性和效率。

雙冗余網絡接口產品的指標一般包括能夠實現自動切換的A、B通道，通信正常，切換時間快(一般不大于90 ms)。因此，開發1套雙冗余網絡接口測試系統，需要包括以下幾個部分：被測雙冗余網絡接口(DUT)，自動網絡切換設備，網絡信號完整性測試設備。本文主要在基于自動網絡切換電路開發的基礎上，集成了FLUKE的網絡物理層測試設備和泰克的網絡信號完整性測試設備[1]，最終組成1套完整的雙冗余網絡接口測試系統。

1 總體設計

為實現雙冗余網絡接口的自動化測試，模塊以一款簡單通用的單片機作為核心，單片機選型AT89S51[2]，采用MAXIM公司提供的專用網絡切換芯片實現網絡接口的自動化選通和切換。外圍電路上，采用常用電源供電電路，實現對單片機和網絡切換芯片的5 V、3.3 V供電。通過采用RS232串口，編制通信協議和定義命令格式，實現與上位機的通信，并達到自動控制網絡接口切換的功能；通過狀態指示燈實現網絡不同接口、不同通道切換后的狀態指示。模塊電路系統原理框圖如圖1所示。模塊能夠自動實現對2路雙冗余共4路網絡自動切換的功能，提高測試的效率，同時能夠保證可靠性。

2 詳細設計

下面分別從硬件和軟件2個方面描述雙冗余網絡接口切換測試系統的設計。

2.1 網絡切換硬件電路設計原理

現有常用的雙冗余網絡接口主要有百兆和千兆網絡，為滿足雙冗余網絡接口的切換測試需求，網絡切換芯片選用MAX4890[3]，該芯片特性如表1所示。

通過表1可以得出結論，設計用來專門進行網絡接口切換的芯片MAX4890能夠滿足切換需求，按照行業要求百兆網絡切換時間應小于90 ms，該芯片本身的切換時間能夠滿足，其他的指標也能夠滿足抗惡劣環境下的網絡切換需求。

表1 MAX4890芯片的特性

圖2所示為MAX4890芯片的實際硬件設計電路，設計中采用3.3 V電源供電，通過水晶頭將A、B 2路的網絡切換選通后，通過輸出端口進行對外連接。同時用1個跳線選擇自動化軟件控制切換或者手動選擇切換。若采用自動化切換方式，則由外部的串口通信控制單片機的一個控制引腳，該信號對MAX4890的SEL選擇信號進行選通；若采用手動切換方式，則通過手動撥碼開關的控制，對A、B通道進行選通，在手動選通的過程中通過指示燈點亮的方式指示被選通的通道。

2.2 軟件設計原理

雙冗余網絡接口切換測試系統采用AT89S51單片機進行控制，單片機作為主控通過串口與上位機進行通信，通過串口接收命令和數據。若接收到數據則進行協議幀解碼，判讀數據是否為合格。對合格數據中的內容進行分析，確認需要切換到A或者B通道后，完成對MAX4890芯片的通道選通，最終實現雙冗余網絡接口的切換功能。在切換功能完成后，通過串口回復切換動作執行得正確與否。全部的軟件流程如圖3所示。

3 系統實現與性能測試

在硬件和軟件實現的基礎上，雙冗余網絡接口切換測試系統實物如圖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AT89S51負責串口通信和對MAX4890切換芯片的選通控制，通過通道狀態指示燈進行通道選通狀態指示，支持手動和自動2種方式進行控制。在進行雙冗余網絡接口模塊測試時，能夠以手動方式為主，進行模塊性能的測試。結合自動化測試軟件，能夠實現自動化串口通信控制的通道切換測試。

在系統實現的基礎上，結合百兆和千兆網絡接口的測試，采用DSA71604B高性能示波器，對網絡接口進行信號完整性測試，在實現網絡通道切換后，網絡信號完整性測試結果見圖5。從眼圖測試結果可以看出，網路接口在經過切換后，信號基本滿足國際標準眼圖要求[4]。經過實際測試，百兆和千兆網絡接口雙冗余切換測試功能正常，網絡通信功能正常。

4 結束語

雙冗余網絡接口切換測試模塊設計實現后，在模塊接口測試、系統功能測試等方面進行了功能驗證，能夠支持切換時間小于90 ms的測試功能，其他各方面指標滿足系統使用要求。同時在調試測試過程中發現，由于隔離度不夠，在轉接環節過多的情況下，耦合帶來網絡信號串擾需要在設計時重點注意，放置在切換過程中導致的相鄰通道間的信號干擾，尤其是在網絡切換時自適應網絡TLP信號互相干擾導致網絡無法正常通信。

在產品的測試和試驗過程中進行了驗證，該系統運行穩定可靠，能夠有效運用在雙冗余網絡接口測試領域和其他需要進行網絡切換的冗余備份技術應用領域。

[1] 常冬冬.以太網物理層一致性測試及故障預診斷研究[D].成都：電子科技大學，2013.

[2] 何立民.單片機應用技術選編[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

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

[4] 柳揚，李巍.快速以太網100Base-TX PMD電氣特性測試[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