CN210867767U - 一种基于hsr/prp的冗余通信网络的数据交换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于HSR/PRP的冗余通信网络的数据交换装置，所述所述数据交换装置包括嵌入式处理器(1)、网络接口电路(2)、网络物理层电路(3)、SFP模块(4)和配置电路(5)。本实用新型所述的数据交换装置，硬件结构简单、成本低，具有多种工作模式，能够实现冗余协议数据报文与标准以太网报文之间的数据转发。

Description

一种基于HSR/PRP的冗余通信网络的数据交换装置

技术领域

本实用新型涉及数据交换技术领域，具体涉及一种基于 HSR/PRP的冗余通信网络的数据交换装置。

背景技术

目前的网络设备都是单点传输，网络单点断线会导致网络数据丢失，影响整个网络***的可靠性。通信网络的冗余技术是实现网络高效、可靠运行的关键。

网络冗余技术是通过多端口传输相同数据，实现数据备份来提高数据传输的可靠性；其中HSR/PRP冗余协议，其特点是无需自愈时间、零丢包，在数字变电站网络***中获得广泛应用。

在数字化变电站建设的背景下，自动化变电站二次设备(保护、测控等装置)的主要通信方式为工业以太网。而数字变电站通常是借助工业以太网交换机组建通信网络***，但是传统的工业交换机并不支持HSR/PRP等冗余协议。为了组建具有冗余传输能力的并行或者环形局域网络，需要网络内的智能电气设备(IDE)具有支持冗余协议的双通信端口，但是目前的智能电气设备都是单端口网络，无法直接使用HSR/PRP等冗余协议。

现有的支持冗余协议的交换机仅能单一的支持HSR或 PRP冗余协议，且不支持在非冗余协议下正常交换信息，而自动化变电站中由于设备众多，需求不同，对各种交换信息的需求不同，导致此种交换机在实际应用中缺乏灵活性，效率低下。

因此，有必要提供一种可以适用于数字变电站的冗余通信网络的数据交换装置。

实用新型内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于HSR/PRP的冗余通信网络的数据交换装置，所述数据交换装置包括嵌入式处理器(1)、网络接口电路(2)、网络物理层电路(3)、SFP模块(4)和配置电路(5)，

所述网络接口电路(2)为RJ45接口电路，

所述网络物理层电路(3)为以太网PHY芯片，其能够发送和接收以太网的数据帧的电路，

所述SFP模块(4)为SFP-155M双纤光模块，是一种将千兆位电信号转换为光信号的接口器件，

所述配置电路(5)为具有CHS-04TB芯片，其能够实现模式选择的电路，

所述网络物理层电路(3)一端与嵌入式处理器(1)连接，另一端与网络接口电路(2)相连，

所述嵌入式处理器(1)包括数据转发模块(11)、PTP帧检测模块(12)、冗余协议解析模块(13)，

所述数据转发模块(11)、PTP帧检测模块(12)和冗余协议解析模块(13)为现场可编程门阵列。

所述网络接口电路(2)与智能电器设备相连。

所述网络物理层电路(3)与嵌入式处理器(1)之间的连接采用RGMII接口连接。

所述SFP模块(4)的一端与嵌入式处理器(1)连接，另一端连接具有冗余传输能力的并行或环形局域网络。

所述SFP模块(4)与嵌入式处理器(1)通过Serdes接口连接。

CHS-04TB芯片的一端接地，另一端与嵌入式处理器1相连，使得嵌入式处理器1能够获取CHS-04TB芯片的输出电平。

所述嵌入式处理器(1)具有网络端口控制模块，

所述数据转发模块(11)分别与冗余协议解析模块(13) 和PTP帧检测模块(12)相连，所述数据转发模块(11)能够将接收到的数据进行解析并转发到相应的网络端口控制模块；

所述冗余协议解析模块(13)能够将接收到的数据根据工作模式***相应标签后打包和转发；

所述PTP帧检测模块(12)能够提供全局时间并根据时间确定数据的先后传输顺序；

所述网络端口控制模块为能够实现数据链路层通讯的芯片，其具有多个，分别与网络物理层电路(3)和SFP模块(4)连接。

所述网络端口控制模块为MAC控制器芯片，包括第一 MAC芯片(14)和第二MAC芯片(15)，所述第一MAC芯片 (14)与网络物理层电路(3)连接，所述第二MAC芯片(15) 与SFP模块(4)连接。

所述第一MAC芯片(14)与数据转发模块(11)相连，所述第二MAC芯片(15)与冗余协议解析模块(13)相连，

所述冗余协议解析模块(13)与所述配置电路(5)相连。

所述数据转发模块(11)、PTP帧检测模块(12)和冗余协议解析模块(13)集成在一个5CGXFC5C6U19I7处理器中。

本实用新型所具有的有益效果包括：

1)利用可编程的方式在嵌入式处理器1硬件平台上创建包括处理器、存储器、外设接口和用户逻辑电路，实现功能集成化和资源最优化。采用嵌入式处理器1加***接口的方式，硬件结构简单，成本低。

2)基于嵌入式处理器1实现HSR/PRP协议，完全符合 IEC62439规范，兼容冗余通信网络***内的其他支持HSR/PRP 冗余协议的设备。

3)高效转发数据报文，实现冗余协议数据报文与标准以太网报文之间的数据转发，工业交换机、CPU***等智能电气设备可以被接入到冗余网络中，无需设备本身具有冗余功能。

4)具有多种工作模式，实现灵活组网。

附图说明

图1示出本实用新型一种优选实施方式的基于HSR/PRP的冗余通信网络的数据交换装置的整体结构示意图；

图2示出本实用新型一种优选实施方式的配置电路的示意图。

附图标号说明：

1-嵌入式处理器；

11-数据转发模块；

12-PTP帧检测模块；

13-冗余协议解析模块；

14-第一MAC芯片；

15-第二MAC芯片；

2-网络接口电路；

3-网络物理层电路；

4-SFP模块；

5-配置电路。

具体实施方式

下面通过附图和实施方式对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。其中，尽管在附图中示出了实施方式的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本实用新型提供了一种基于HSR/PRP的冗余通信网络的数据交换装置，所述数据交换装置包括嵌入式处理器1、网络接口电路2、网络物理层电路3、SFP模块4和配置电路5，如图1所示，

所述网络物理层电路3为能够发送和接收以太网的数据帧的电路，优选为以太网PHY芯片，例如Integrated Circuit Systems ICS1893、瑞昱RTL8201、威盛电子VIA6103等。

所述网络物理层电路3一端与嵌入式处理器1连接，另一端与网络接口电路2相连。

在一个优选的实施方式中，所述网络物理层电路3与嵌入式处理器1之间的连接采用RGMII接口连接。

所述网络接口电路2为能够实现与智能电器设备连通的电路，优选通过网线实现与智能电器设备连通的电路，在一个优选的实施方式中，所述网络接口电路2为支持 1000/100/10Base-T的电路，优选RJ45接口电路，以通过双绞线与智能电气设备连接。

根据本实用新型，所述网络物理层电路3和网络接口电路2 可以有多个，以实现多个接口之间的数据交换，优选为两个，以节约装置体积。

所述SFP模块4是一种将千兆位电信号转换为光信号的接口器件，优选为SFP-155M双纤光模块，其具有支持热插拔、体积小、功耗低等优点，更加适应数字变电站的小型化、灵活性的要求。

在本实用新型中，所述SFP模块4的一端与嵌入式处理器1 连接，另一端连接具有冗余传输能力的并行或者环形局域网络，以实现数据备份，提高数据传输的可靠性。

在一个优选的实施方式中，所述SFP模块4与嵌入式处理器 1通过Serdes接口连接，以兼容支持1000Base-X和100Base-FX介质标准的SFP模块4。

根据本实用新型，所述SFP模块4具有两个，以实现冗余网络建设的要求。

所述配置电路5为能够实现模式选择的电路，通过不同的选择开关，将不同的电信号传递至嵌入式处理器1，以改变嵌入式处理器1的工作模式。

配置电路5的设计，使得用户可自由选择数据交换装置的工作模式，同时实现了一台数据交换装置可同时具有HSR冗余通讯网络交换、PRP冗余通讯网络交换和标准通讯网络交换。

在一个优选的实施方式中，所述配置电路5为拨码开关选择电路，优选为4位拨码开关选择电路，如图2所示，

优选地，所述配置电路5包括CHS-04TB芯片，所述 CHS-04TB芯片上具有4个选择拨码，CHS-04TB芯片的一端接地，另一端与嵌入式处理器1相连，使得嵌入式处理器1能够获取CHS-04TB芯片的输出电平，其中当配置电路5的CHS-04TB芯片上4个选择拨码依次为OFF、OFF、OFFF、ON时，配置电路5 输出电平为0001，嵌入式处理器1获取此电平后，工作在PRP冗余通讯网络交换模式；当配置电路5的CHS-04TB芯片上4个选择拨码依次为OFF、ON、OFFF、OFF时，配置电路5输出电平为 0010,嵌入式处理器1获取此电平后工作在HSR冗余通讯网络交换模式；当配置电路5的CHS-04TB芯片上4个选择拨码依次为ON、ON、ON、ON时，配置电路5输出电平为1111,嵌入式处理器1获取此电平后工作在标准通讯网络交换模式。

通过调整CHS-04TB芯片上的选择拨码，用户可确定和改变数据交换装置的工作状态。

所述嵌入式处理器1包括网络端口控制模块、数据转发模块 11、PTP帧检测模块12和冗余协议解析模块13。

所述数据转发模块11分别与冗余协议解析模块13和PTP帧检测模块12相连，所述数据转发模块11能够将接收到的数据进行解析并转发到相应的网络端口控制模块；

所述冗余协议解析模块13能够将接收到的数据根据工作模式***相应标签后打包和转发，其还具有维护列表，以存储标签内的信息；

所述PTP帧检测模块12能够提供全局时间并根据时间确定数据的先后传输顺序。

所述网络端口控制模块为能够实现数据链路层通讯的芯片，

在本实用新型中，所述网络端口控制模块具有多个，分别与网络物理层电路3和SFP模块4连接。

在一个优选的实施方式中，所述网络端口控制模块为MAC 控制器芯片，优选为W5500芯片，包括第一MAC芯片14和第二 MAC芯片15，其中所述第一MAC芯片14与网络物理层电路3连接，所述第二MAC芯片15与SFP模块4连接，

进一步地，第一MAC芯片14的数量与网络物理层电路3的数量相同，第二MAC芯片15的数量为两个。

更进一步地，所述第一MAC芯片14与数据转发模块11相连，使得数据转发模块11能够与网络接口电路2进行数据交换，所述第二MAC芯片15与冗余协议解析模块13相连，使得冗余协议解析模块13能够与SFP模块4进行数据交换。

更进一步地，所述冗余协议解析模块13与所述配置电路5 相连，使得冗余协议解析模块13能够根据配置电路5的电信号改变工作模式。

具体地，当配置电路5的电信号输出为HSR冗余通讯网络交换模式或PRP冗余通讯网络交换模式时：

智能电气设备发出的数据报文经过网络接口电路2、网路物理层电路、第一MAC芯片14传送到数据转发模块11，PTP帧检测模块12对传递到数据转发模块11的数据进行检测，检测后由数据转发模块11将此数据报文转发到冗余协议解析模块13，冗余协议解析模块13在数据报文中***HSR标签或PRP标签，并将数据报文打包、复制后分别传递到两个第二MAC芯片15，再由第二MAC芯片15将数据报文通过SFP模块4传递到具有冗余传输能力的并行或者环形局域网络；

具有冗余传输能力的并行或者环形局域网络传递来的数据报文经过SFP模块4传递到冗余协议解析模块13，冗余协议解析模块13判断数据报文是否被接收过，若已被接收过，则丢弃此数据报文，若未被接收过，则将数据报文中的HSR标签去除后打包后传递到数据转发模块11，经过PTP协议帧检测模块检测后，由数据转发模块11将数据转发到第一MAC芯片14，经网络物理层电路3、网络接口电路2最终传递到智能电气设备；

根据本实用新型，所述HSR标签内容包括报文类型标识符、路径标识符、标签大小和报文序列标识，所述PRP标签包括报文序列标识、网络ID、标签大小和PRP后缀，

在一个优选的实施方式中，所述冗余协议解析模块13根据 IEC62439的规范要求在数据报文中***HSR标签或PRP标签，使得其能够兼容冗余通信网络***内的其他支持HSR/PRP冗余协议的设备，

所述冗余协议解析模块13通过提取HSR标签或PRP标签判断数据报文是否被接收过，其将HSR标签或PRP标签内的信息与维护列表中的信息比对，若标签内的信息已存储在维护列表中则报文已接收过，若标签内的信息未存储在维护列表中，则报文未接收过，并将标签内的信息添加到维护列表，

根据本实用新型，在数据转发模块11转发数据的过程中，数据转发模块11对数据报文进行解析，提取报文中的MAC地址信息，并根据MAC地址信息，将报文转发到对应的网络端口控制模块，

所述PTP协议帧检测模块检测，为根据PTP精密时间同步协议对数据报文进行解析，确定数据报文的先后传递顺序。

当配置电路5的电信号输出为标准通讯网络交换模式时，冗余协议解析模块13不对接收的数据报表进行处理，直接将数据报表传递给数据转发模块11，数据转发模块11对数据报文进行解析，提取报文中的MAC地址信息，并根据MAC地址信息，将报文转发到对应的网络端口控制模块，实现网络接口电路2之间、 SFP模块4之间以及网络接口电路2与SFP模块4之间数据的标准通讯交换。

根据本实用新型，所述数据转发模块11、PTP帧检测模块 12和冗余协议解析模块13为现场可编程门阵列，如intel公司的 Cyclone系列。

在一个更优选的实施方式中，所述网络端口控制模块、数据转发模块11、PTP帧检测模块12和冗余协议解析模块13集成在一个处理器中，优选为5CGXFC5C6U19I7。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于HSR/PRP的冗余通信网络的数据交换装置，其特征在于，所述数据交换装置包括嵌入式处理器(1)、网络接口电路(2)、网络物理层电路(3)、SFP模块(4)和配置电路(5)，

所述网络接口电路(2)为RJ45接口电路，

所述网络物理层电路(3)为以太网PHY芯片，为能够发送和接收以太网的数据帧的电路，

所述SFP模块(4)为SFP-155M双纤光模块，是一种将千兆位电信号转换为光信号的接口器件，

所述配置电路(5)具有CHS-04TB芯片，其能够实现模式选择的电路，

所述网络物理层电路(3)一端与嵌入式处理器(1)连接，另一端与网络接口电路(2)相连，

所述嵌入式处理器(1)包括数据转发模块(11)、PTP帧检测模块(12)、冗余协议解析模块(13)，

所述数据转发模块(11)、PTP帧检测模块(12)和冗余协议解析模块(13)为现场可编程门阵列。

2.根据权利要求1所述的数据交换装置，其特征在于，

所述网络接口电路(2)与智能电器设备相连。

3.根据权利要求2所述的数据交换装置，其特征在于，

所述网络物理层电路(3)与嵌入式处理器(1)之间的连接采用RGMII接口连接。

4.根据权利要求1所述的数据交换装置，其特征在于，

所述SFP模块(4)的一端与嵌入式处理器(1)连接，另一端连接具有冗余传输能力的并行或环形局域网络。

5.根据权利要求4所述的数据交换装置，其特征在于，

所述SFP模块(4)与嵌入式处理器(1)通过Serdes接口连接。

6.根据权利要求1所述的数据交换装置，其特征在于，

CHS-04TB芯片的一端接地，另一端与嵌入式处理器(1)相连，使得嵌入式处理器(1)获取CHS-04TB芯片的输出电平。

7.根据权利要求1所述的数据交换装置，其特征在于，

所述嵌入式处理器(1)具有网络端口控制模块，

所述数据转发模块(11)分别与冗余协议解析模块(13)和PTP帧检测模块(12)相连，所述数据转发模块(11)将接收到的数据进行解析并转发到相应的网络端口控制模块；

所述冗余协议解析模块(13)将接收到的数据根据工作模式***相应标签后打包和转发；

所述PTP帧检测模块(12)提供全局时间并根据时间确定数据的先后传输顺序；

所述网络端口控制模块为实现数据链路层通讯的芯片，其具有多个，分别与网络物理层电路(3)和SFP模块(4)连接。

8.根据权利要求7所述的数据交换装置，其特征在于，

所述网络端口控制模块为MAC控制器芯片，包括第一MAC芯片(14)和第二MAC芯片(15)，所述第一MAC芯片(14)与网络物理层电路(3)连接，所述第二MAC芯片(15)与SFP模块(4)连接。

9.根据权利要求8所述的数据交换装置，其特征在于，

所述第一MAC芯片(14)与数据转发模块(11)相连，所述第二MAC芯片(15)与冗余协议解析模块(13)相连，

所述冗余协议解析模块(13)与所述配置电路(5)相连。

10.根据权利要求7所述的数据交换装置，其特征在于，

所述数据转发模块(11)、PTP帧检测模块(12)和冗余协议解析模块(13)集成在一个5CGXFC5C6U19I7处理器中。

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