双冗余网络接口自动切换测试模块的设计与实现

丁 进，徐国强

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)



双冗余网络接口自动切换测试模块的设计与实现

丁 进，徐国强

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)

目前双冗余网络接口得到了广泛应用，而专用测试设备匮乏，为解决这一问题，研制出基于单片机的双冗余网络接口测试系统。双冗余网络自动切换测试系统使用AT89S51单片机作为主控芯片，采用MAX4890完成双冗余网络信号的切换，实现了对被测双冗余网络接口快速自动切换的功能。该测试系统结构简单，小巧，切换动作快，配合网络测试系统(如泰克、安捷伦等专用网络测试设备)，能够实现对多台双冗余网络接口设备的切换和性能测试。本电路系统运行可靠、稳定。

单片机；双冗余网络接口；自动切换；眼图测试

0 引 言

随着电子系统可靠性要求越来越高，网络接口双冗余技术的应用也逐渐普及，相关硬件和软件技术手段已非常成熟。实现方案上，硬件采用Intel等厂商的网络芯片，软件通过编写网络驱动，将网络A和B组成1组双冗余的网络接口，当网络接口A异常时，网络接口B能够在软硬件支持的情况下自动切换到外部对应的网络接口上，网络IP地址等信息不变，实现该双冗余网络接口通信不间断，对于通信对端设备实现了透明的切换通信，有效提高了系统网络通信的可靠性。

为了实现对双冗余网路接口功能性能指标的快速、高效测试，确保接口能够满足用户和市场需求，需要开发一种测试系统，实现双冗余网路接口的切换功能、切换时间等指标的自动化测试，以改善目前通过手动切换双冗余网络接口性能指标测试的方法，提高可靠性和效率。

双冗余网络接口产品的指标一般包括能够实现自动切换的A、B通道，通信正常，切换时间快(一般不大于90 ms)。因此，开发1套双冗余网络接口测试系统，需要包括以下几个部分：被测双冗余网络接口(DUT)，自动网络切换设备，网络信号完整性测试设备。本文主要在基于自动网络切换电路开发的基础上，集成了FLUKE的网络物理层测试设备和泰克的网络信号完整性测试设备[1]，最终组成1套完整的双冗余网络接口测试系统。

1 总体设计

为实现双冗余网络接口的自动化测试，模块以一款简单通用的单片机作为核心，单片机选型AT89S51[2]，采用MAXIM公司提供的专用网络切换芯片实现网络接口的自动化选通和切换。外围电路上，采用常用电源供电电路，实现对单片机和网络切换芯片的5 V、3.3 V供电。通过采用RS232串口，编制通信协议和定义命令格式，实现与上位机的通信，并达到自动控制网络接口切换的功能；通过状态指示灯实现网络不同接口、不同通道切换后的状态指示。模块电路系统原理框图如图1所示。模块能够自动实现对2路双冗余共4路网络自动切换的功能，提高测试的效率，同时能够保证可靠性。

2 详细设计

下面分别从硬件和软件2个方面描述双冗余网络接口切换测试系统的设计。

2.1 网络切换硬件电路设计原理

现有常用的双冗余网络接口主要有百兆和千兆网络，为满足双冗余网络接口的切换测试需求，网络切换芯片选用MAX4890[3]，该芯片特性如表1所示。

通过表1可以得出结论，设计用来专门进行网络接口切换的芯片MAX4890能够满足切换需求，按照行业要求百兆网络切换时间应小于90 ms，该芯片本身的切换时间能够满足，其他的指标也能够满足抗恶劣环境下的网络切换需求。

表1 MAX4890芯片的特性

图2所示为MAX4890芯片的实际硬件设计电路，设计中采用3.3 V电源供电，通过水晶头将A、B 2路的网络切换选通后，通过输出端口进行对外连接。同时用1个跳线选择自动化软件控制切换或者手动选择切换。若采用自动化切换方式，则由外部的串口通信控制单片机的一个控制引脚，该信号对MAX4890的SEL选择信号进行选通；若采用手动切换方式，则通过手动拨码开关的控制，对A、B通道进行选通，在手动选通的过程中通过指示灯点亮的方式指示被选通的通道。

2.2 软件设计原理

双冗余网络接口切换测试系统采用AT89S51单片机进行控制，单片机作为主控通过串口与上位机进行通信，通过串口接收命令和数据。若接收到数据则进行协议帧解码，判读数据是否为合格。对合格数据中的内容进行分析，确认需要切换到A或者B通道后，完成对MAX4890芯片的通道选通，最终实现双冗余网络接口的切换功能。在切换功能完成后，通过串口回复切换动作执行得正确与否。全部的软件流程如图3所示。

3 系统实现与性能测试

在硬件和软件实现的基础上，双冗余网络接口切换测试系统实物如图4所示，采用ATX电源四芯电源连接器或者USB接口电源的+5V供电，单片机AT89S51负责串口通信和对MAX4890切换芯片的选通控制，通过通道状态指示灯进行通道选通状态指示，支持手动和自动2种方式进行控制。在进行双冗余网络接口模块测试时，能够以手动方式为主，进行模块性能的测试。结合自动化测试软件，能够实现自动化串口通信控制的通道切换测试。

在系统实现的基础上，结合百兆和千兆网络接口的测试，采用DSA71604B高性能示波器，对网络接口进行信号完整性测试，在实现网络通道切换后，网络信号完整性测试结果见图5。从眼图测试结果可以看出，网路接口在经过切换后，信号基本满足国际标准眼图要求[4]。经过实际测试，百兆和千兆网络接口双冗余切换测试功能正常，网络通信功能正常。

4 结束语

双冗余网络接口切换测试模块设计实现后，在模块接口测试、系统功能测试等方面进行了功能验证，能够支持切换时间小于90 ms的测试功能，其他各方面指标满足系统使用要求。同时在调试测试过程中发现，由于隔离度不够，在转接环节过多的情况下，耦合带来网络信号串扰需要在设计时重点注意，放置在切换过程中导致的相邻通道间的信号干扰，尤其是在网络切换时自适应网络TLP信号互相干扰导致网络无法正常通信。

在产品的测试和试验过程中进行了验证，该系统运行稳定可靠，能够有效运用在双冗余网络接口测试领域和其他需要进行网络切换的冗余备份技术应用领域。

[1] 常冬冬.以太网物理层一致性测试及故障预诊断研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[2] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

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

[4] 柳扬，李巍.快速以太网100Base-TX PMD电气特性测试[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