矿用本安型千兆以太网交换机的设计

科技信息
0.引言
煤矿安全生产是煤矿企业实现稳定发展的重要保证，同时也是实现社会和谐稳定的重要保证。

及时了解和处理煤矿生产过程中的各个环节的参数，是实现煤矿安全生产的重要保障。

在过去传统的煤矿监测监控系统中，信息的传输方式主要是RS-485总线、CAN总线或通过电话线的调制传输，这些系统基本上都是采用集散系统的结构，存在传输速率慢，传输距离受限和传输协议标准不统一等缺点，影响了系统的可扩展性和监控系统所要求的实时性，这些系统会随着煤矿生产的发展和自动化程度的不断提高而被淘汰。

现代化的煤矿必须建立一个统一的数字化网络信息平台，实现矿井和全矿区的信息化和自动化。

工业以太网是基于TCP/IP协议的开放式通信网络，是现代工业信息化和自动化的主要通信网络，现代煤矿的信息化平台也应当以以太网为基础发展起来。

而且，现在许多新建矿井已经着手建立以以太网为基础的信息化平台。

传统的矿用以太网交换机设计在10M/100M的传输速率[1]，已经不适应煤矿大信息量的传输，快速的千兆级的工业以太网交换机才能满足现代煤矿信息化平台的要求。

本文提出了一种快速千兆矿用工业以太网交换机的设计。

1.工作原理
以太网交换机工作在OSI模型中的第二层,类似于一台专用的特殊计算机,主要包括中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)和操作系统。

它利用专门设计的芯片使交换机以线路速率在所有的端口并行转发数据包,而且采用星型拓扑结构的以太网的标准技术，为所连接的两台设备之间提供一条独享的点到点的虚电路，避免冲突，因此,它比同在二层利用软件进行转发的网桥速度快的多[2]。

以太网交换机通过如下功能实现数据包的交换：
地址学习：以太网交换机能够学习所有连接到其端口的MAC地址，通过监听所有流入的数据帧，对其源MAC地址进行检验，形成一个MAC地址到其相应端口号的映射，并且将这一映射关系存储在其MAC 地址表中。

帧的转发和过滤：当一个帧到达交换机后，交换机通过查询MAC 地址表来决定如何转发数据帧。

如果目的MAC地址存在，则将数据帧向其对应的端口转发。

如果在表中找不到目的MAC地址的相应项，则将数据帧向所有端口转发。

环路避免：以太网交换机通过使用生成树协议来管理局域网内的环路，避免数据帧在网络中不断兜圈子现象的发生。

千兆以太网交换机执行快速的数据交换，在硬件上必须满足如下条件[3]：一是要有足够的传输带宽，如果每个端口为1G带宽，则16端口的交换机需要16G的传输带宽。

再者就是交换机要有适合于其功能的逻辑结构，也就是每个端口要有FIFO寄存器、MAC层和PHY传输层等分层结构。

2.本安型设备的防爆设计
本安型矿用工业以太网交换机主要是用于煤矿井下工业以太网的组网,必须满足煤矿用设备的防爆要求。

在防爆外壳的设计上，要满足《GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》、《GB3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”》和《MT209-1990煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》，关于本安型设备外壳的要求，经过多项安全检测，以确保在井下爆炸性环境中安全运行。

交换机的电路设计也要满足上述标准要求的电气特性，如电气间隙和爬电距离等电气特性要满足GB3836.4-2000的要求。

同时在电路设计当中，必须按照本安型电路的设计原则，选择低功耗，低电压的芯片和元件。

3.硬件设计
本安型矿用工业以太网交换机的设计主要分为硬件电路的设计和控制软件的设计，硬件电路可以划分为三个部分：处理器电路、网络交换电路和物理层PHY接口电路。

网络交换电路选用芯片VSC7420，该芯片内含一个8051内核的微处理器，故在设计中，处理器电路和网络交换电路可以合为一个电路模块，物理层PHY接口电路选用芯片VSC8664，交换机电路框图如图1所示。

图1交换机结构框图
VSC7420是Vitesse公司最新推出SparX-III TM系列的千兆以太网交换芯片，SparX-III技术利用了Vitesse的65纳米工艺，超低功耗，1000BASE-T铜线的功率损耗小于400mW/端口，光纤功率的损耗低于50mW/端口[4]。

由于拥有业界最低的功耗，这些设备无须散热扇、降低了成本与噪音并提高了系统可靠性。

它含有10个10/100/1000Mbps自适应端口子模块,内部总线可支持10×1Gbps的传输速率,其判决处理子模块可以对10路1000Mbps以太网输入输出实现无阻塞快速交换。

VSC7420内含有一块8051内核的处理器,并拥有64kB的RAM,使它除了具有二层交换功能外,还可以实现对VLAN功能、数据包QoS分类的支持[4]，其结构框图如下图。

图2VSC7420结构图
VSC7420包含8个铜质PHY传输层接口和两个SGMII接口。

前8个铜质PHY传输层接口可以通过隔离变压器和RJ-45接口相连，而两个SGMII接口不包含PHY层，无法处理PHY层的物理信号，所以这两个接口需要另外增加物理层处理芯片。

设计中选择了Vitesse公司的物理层芯片VSC8664[5]。

通过该芯片，既可以连接铜质电缆，也可以连接光纤接口。

VSC8664的连接框图如下图所示。

图3VSC8664连接图
由图中可以看出，VSC8664既可以连接光纤接口，也可以连接RJ-45接口，设计中连接了两个光纤接口，以适应远距离的通信。

FLASH存储器使用M25P40。

该存储器容量为4MB，接口为SPI总线[6]，存储了交换机的各种配置信息，如VLAN、端口优先级、端口速率等。

交换机在上电或复位时通过存储器接口读取FLASH中的信息,完成交换机的基本功能设定。

FLASH中还存储了交换机中的软件程序，VSC7420中的CPU与M25P40通过SPI总线通信，以实现对交换机的管理和控制。

4.软件设计
交换机软件设计的主要任务是对交换芯片VSC7420的寄存器进行设置，使之能实现基本的交换功能；另外可以由上位机通过RS-232口或交换机上的网络端口对交换机进行设置，实现网络端口的状态监视、冗余环路、虚拟局域网等各项高级管理功能。

该交换机的软件设计采用分层结构、模块化的设计方法来构建，各个层次基本按照TCP/IP协议的分层结构来划分，每一层为上层服务，同时又接受下层的服务分层结构如图4所示。

这种分层次的设计方法便于把复杂的软件设计变为简单的模块化设计过程。

软件设计主要实现如下功能。

初始化程序。

主要完成对CPU各寄存器的初始值设置和对交换芯片的各个寄存器的初始值设置，启动交换机开始工作。

主要包括：CPU 的初始化；为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序；制定操作系统的功能，为软件系统提供一个实时多任务的运行环境。

矿用本安型千兆以太网交换机的设计
中国联合网络通信有限公司泰安市分公司高勇张志艳
［摘要］本文针对煤矿组建以太网的需要，提出了煤矿井下使用的本安型千兆以太网交换机的设计方案。

介绍了本质安全型电路的设计原则。

详细介绍了用VSC7420和VSC7664设计10端口的千兆交换机的设计思路，同时在软件设计中提出了分层次的设计理念。

经测试，该交换机具有很高的可靠性和稳定性，能够在煤矿井下恶劣、复杂环境下长期稳定工作。

［关键词］本质安全型以太网交换机千兆
煤矿—
—306
科技信息
图4软件设计的分层结构图
管理模块：通过RS-232接口与计算机通信完成交换机的配置。

通常用作网络协议的选择和实现，以保证交换机快速，高效的实现数据交换。

本设计中使交换机实现自协商，全双工通信，10/100/1000Mbps 自适应模式。

命令解析模块：主要用来根据需要转发决策和MAC 表，实时计算，实时更新。

以保证交换机能够快速、准确的完成数据交换。

通信协议模块：主要包括协议驱动和协议栈，实现802.1d 、802.1w 、802.1q 等协议以及PING 、ARP 、IP 、TCP 、UDP 等网络协议。

驱动程序：即交换机的底层驱动，负责上层软件（TCP/IP 协议栈和管理软件）和低层硬件系统的信息交换。

也就是把上层软件的管理和配置命令转换为底层硬件系统能识别的格式，同时，设备把底层硬件接收到的控制管理帧和收集到的各种统计信息传递给相应的上层软件处理。

最终，也可以通过RS-232接口和IE 浏览器来设置交换机。

交换机在安装时利用串口控制台或超级终端来设置工作模式，或配置IP 地址。

软件中设计了Web Server 服务程序，用户可以通过IE 浏览器来管理交换机。

5.测试及应用
交换机设计完成后，首先在实验室搭建小局域网进行测试。

局域网中计算机上分别装上10M 网卡、10/100M 自适应网卡和10/100/1000M 自适应网卡，利用TCP&UDP 调试工具检测通信状况。

网内所有计算机装上10M 网卡时，查看通信状态为10M ，通信正常；当计算机都装有10/100M 自适应网卡时，查看通信状态为100M ，且通信正常。

当计算机都装有10/100/1000M 自适应网卡时，通信状态显示1G ，通信正常。

而且，设置完成后可以正常上网浏览网页。

这说明该千兆交换机功能正常。

功能测试完毕后，又进行了稳定性测试。

交换机连续开机一周，运行稳定，未出现死机和重启现象，而且通信正常。

从整体测试效果看，交换机完全达到了设计要求，能够实现快速、准确的数据交换。

该交换机主要用于煤矿局域网建设，使煤矿井上和井下形成一个统一的局域网。

把井下的各种检测数据快速准确的传输到井上，并把井上的控制信号准确的传输到井下。

6.结束语
此设计基于VSC7420和VSC8664芯片。

整个设计方案具有整体结构简单、功耗低、整体体积小等特点，设计中按照本安型设备的设计原则，适合于煤矿井下恶劣环境中使用。

其开发和使用都比较方便,，缩短了产品的研发周期。

同时为大型高速分布式设备中的内部通信网的设计提供参考。

参考文献［1］李鹏,钱建生,张智宏等.矿用工业以太网交换机的设计［J ］.工矿自动化，2004（4）
［2］安淑梅,武志刚.网络设备与管理［M ］.北京:北京希望电子出版社,2006.
［3］马涛，石冰心，杨树堂等.快速以太网交换机硬件体系结构设计与实现［J ］.微型机与应用2001(6)
［4］Vitesse 公司.VSC7420,VSC7421,and VSC7422SparX-III Data-sheet.(2010-05-19)./products/product.php?num-ber=VSC7420
［5］Vitesse 公司.Quad Port 10/100/1000BASE-T PHY and 100BASE-FX/1000BASE-X SerDes with I2C Mux and Recovered Clock Outputs datasheet,(2009-6-24),/products/prod-uct.php?number=VSC8664
［6］张俊谟.单片机中级教程－原理与应用(第二版)［M ］.北京:北京航空航天大学出版社,2006
一、计算机技术在边防检查工作中推行的必要性科技是第一生产力，只有把最新、最尖端的科学技术及时、有效地引入到工作、生产中来才能使自己永远处于先进之列。

计算机技术就是值得重视的高新技术之一。

去年美国《探索》杂志评选二十世纪最伟大的科技发明，计算机的发明以无可争议的票数当选，可以预言21世纪将是计算机及网络技术纵横天下的时代。

计算机应用于边防检查工作也将使其发生革命性变化。

边防检查工作是国家通过设在对外开放口岸的边防检查工作机关依法对出入境人员、交通运输工具及其携带、载运的行李物品，货物实施检查、监督的一种行政管理活动。

作为边防保卫工作的一项经常性任务,它在体现国家主权以及公民出入境的正当权益上起着至关重要的作用。

但在新的历史时期，我们的边防检查工作出现了许多新的情况，边防检查工作工作面临的任务更加艰巨和复杂。

如果还停留在原来的基础上，就不能适应形式发展的需要。

实践迫切要求我们把已有的经验理论化、科学化，运用社会科学的基本理论和基本方法，运用相邻学科的研究成果和先进的技术手段，去探索新形式下的边防检查工作的规律，从经验型走上科学型，开创边防检查工作的新局面，更好地为社会主义现代化服务。

因此，计算机的普及应得到各级领导的重视，应作为业务建设的重要方面来抓。

公安部及各级领导也都非常重视计算机的使用情况。

目前大部分边检站已完成了边防检查信息管理系统建设和改造任务，配备安装了新的计算机硬件和软件，使边检的计算机工作上了新台阶。

二、边防检查工作当前的科技应用现状
新时期对我们边防检查工作提出种种新的挑战，但我们的科研建设不论在技术水平、建设规模、还是经费投入上都面临着相当严峻的形势。

首先，在加强边防检查工作的计算机建设方面，面临的问题就是需要在物力，财力，人力，时间等方面进行较大的投入，但由于各种因素，许多边防检查站对这方面重视不够，或者说重视而没有资金，精力去投入，使管理还停留在传统手工管理方式水平上，使工作在低层次上循环。

其次，有些单位不从本单位的实际情况、业务需要出发，盲目响应建设号召，对计算机建设的可行性、必要性、建设规模、取得的效益等方
面没有进行深入的论证，各自为战，重复开发，重复建设，从而造成资金、人力的严重浪费。

再次，有些单位重视计算机建设，也进行了较大的投入，但只是重视配机器，装软件，并不广泛使用，使许多计算机闲置，甚至入库存放，同样也造成了资金、人力的浪费。

最后，有些单位在计算机建设方面存在片面的观点，认为仅靠技术部门或边防检查业务部门，就能搞好计算机的建设，把计算机的建设看作只是技术部门的工作，对之不管不问，不能很好地协助技术部门做好各项工作，确保计算机建设的顺利发展。

三、高科技在边防检查工作中的应用前景时代在进步，科技也在进步，21世纪是个知识大爆炸的世纪。

三年一更新的周期意味着如果一个人一整年不接收任何新事物的话，次年他将发现他的“知本”储备已贬值为原先的60%。

在这样的大环境下，要求我们的边检事业要跟上时代的步伐，在普及上述科技力量的同时也要着眼于边检事业将来的技术革新发展的方向。

四、奠定计算机技术应用的人才基础
1992年美国国家关键技术委员会在报告中指出：“技术本身是不能保证国家繁荣和安全的。

技术能对美国未来的国家利益做出重要贡献，但只是在我们学会更有效地利用技术时才能如此。

”我们从中不难看出科技是以人为本的，离开人才这个基础，什么最新的器材装备都将无法发挥其应有的功能。

如何培养我们边防战线的科技人才，应该分以下三步走。

（一）要增强整个部队的科技意识和提高广大干警的科技素质在边防部队中大力提倡学科技、用科技、科技练兵、练科技兵的风气。

只要领导重视，肯下大力气抓，不难在短时间内形成一个好的人人争学高科技的大环境，只有这样一个好的环境，才能在基层民警中普及各种科学技术基础知识，为全面提高边防系统科技水平奠定一个好的基础。

（二）优中选优，加以培养、造就科技带头人在有了一个好的基础之后，我们应该有一批好的科技带头人，他们不但能做好自己的本职工作，而且还能结合自身的知识优势为提高整
计算机技术在边防检查工作中的应用
公安边防部队广州指挥学校边境管理系情报教研室孙静
［摘要］科技是第一生产力，只有把最新、最尖端的科学技术及时、有效地引入工作、生产当中来才能使自己永远立于先进之列，本
文就当今世界上的一些计算机技术在边防检查工作中的应用进行论述，并对将来我们边防检查事业的现代化发展方向作一些预测。

［关键词］计算机边防检查
应用
—
—307。