嵌入式双网冗余通信设计与实现
双网冗余系统的设计和实现的开题报告
双网冗余系统的设计和实现的开题报告1. 研究背景在现代的信息技术和通信技术中，双网冗余系统是一种常见的设计方案。
它的主要目的是提高整个系统的可靠性和稳定性，确保系统在任何情况下都能够正常运行。
双网冗余系统可以分为主备式和并行式两种设计。
其中，主备式双网冗余系统是将主网和备网分别连接在两个不同的进出口上，当主网发生故障时自动切换至备网，保证整个系统的正常运行。
而并行式双网冗余系统则是将主网和备网同时运行，并使用智能算法进行数据的负载均衡和故障切换。
2. 研究内容本文将重点研究双网冗余系统的设计和实现。
具体内容包括：（1）双网冗余系统的原理和工作模式。
介绍双网冗余系统的基本原理和运行方式，包括主备式和并行式两种设计。
（2）双网冗余系统的设计方案。
对于双网冗余系统的设计方案进行详细的分析和比较，并从系统的可靠性、稳定性和可扩展性等多个方面进行评价。
（3）双网冗余系统的实现技术。
选择适合的技术方案，详细讲解双网冗余系统的实现方式和实现过程，包括硬件和软件两方面。
（4）双网冗余系统的测试。
设计实验，利用具体的实验数据对双网冗余系统的性能进行评估，检测双网冗余系统的可靠性和稳定性等关键参数。
3. 研究意义研究双网冗余系统的设计和实现，对于提高信息和通信系统的可靠性和稳定性具有重要的实用价值。
另外，通过对双网冗余系统的研究，可以提高我们的设计能力和技术水平，内容的研究有助于对系统设计的完整性和一致性有更好的理解。
4. 研究方法本文主要采用文献综述和实验方法进行研究。
文献综述主要是针对国内外相关领域的文献资料进行搜集和总结，系统地分析和比较了不同的双网冗余系统设计方案和实现技术。
实验方法则是运用具体实验数据进行分析和验证，对所设计的双网冗余系统进行性能测试和压力测试等。
5. 预期成果本文预期将设计和实现一个基于双网冗余系统的实验平台，通过对实验平台的性能测试，可以验证所设计的双网冗余系统的可靠性和稳定性，并得出实验数据。
(完整)一个典型的嵌入式系统设计和实现
关键字：嵌入式系统设计ARM FPGA多功能车辆总线Multifunction Vehicle Bus 在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时，嵌入式系统开发技术也取得迅速发展,嵌入式技术应用范围的急剧扩大.本文介绍了一种基于ARM和FPGA,从软件到硬件完全自主开发多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus）MVB??B嵌入式系统的设计和实现。
系统设计和实现通常来说，一个嵌入式系统的开发过程如下:1.确定嵌入式系统的需求；2.设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统,开发平台以及软硬件的分割和总体系统集成；3.详细的软硬件设计和RTL代码、软件代码开发;4.软硬件的联调和集成；5.系统的测试。
一、步骤1：确定系统的需求：嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的,市场应用是嵌入式系统开发的导向和前提。
一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。
1、MVB总线简介列车通信网（Train Communication Network，简称TCN）是一个集整列列车内部测控任务和信息处理任务于一体的列车数据通讯的IEC国际标准（IEC－61375-1), 它包括两种总线类型绞线式列车总线(WTB）和多功能车厢总线（MVB）。
TCN在列车控制系统中的地位相当与CAN总线在汽车电子中的地位。
多功能车辆总线MVB是用于在列车上设备之间传送和交换数据的标准通信介质。
附加在总线上的设备可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它们都和 MVB总线相连，通过MVB总线来交换信息，形成一个完整的通信网络.在MVB系统中，根据IEC－61375－1列车通信网标准， MVB总线有如下的一些特点：拓扑结构：MVB总线的结构遵循OSI模式,吸取了ISO的标准。
支持最多4095个设备，由一个中心总线管理器控制。
简单的传感器和智能站共存于同一总线上。
数据类型：MVB总线支持三种数据类型:a.过程数据：过程变量表示列车的状态，如速度、电机电流、操作员的命令。
嵌入式系统的冗余设计研究
嵌入式系统的冗余设计研究嵌入式系统是指嵌入到封闭系统中的小型计算机系统，包括硬件和软件部分，为特定应用而设计和优化。
随着嵌入式系统在电子、通信、交通等领域的广泛应用，嵌入式系统的可靠性和稳定性变得越来越重要。
而冗余设计作为提高嵌入式系统可靠性的一种重要手段，一直备受关注。
冗余设计的目的是通过增加系统硬件或软件的冗余度，使嵌入式系统在面临单个或多个故障时能够继续运行或快速恢复，同时也提高了系统对故障的自诊断能力。
冗余设计主要通过以下几种方式实现：1.硬件冗余：通过硬件电路的备份或冗余，提高系统的可靠性。
例如，采用双路热备插槽服务器、RAID磁盘阵列等。
2.软件冗余：通过软件程序的备份或冗余，提高系统的可靠性。
例如，采用备份系统镜像、主备切换等。
3.信号冗余：通过对信号进行冗余传输和校验，提高系统的可靠性。
例如，采用冗余传输通道、冗余校验机制等。
在实际的嵌入式系统中，冗余设计更多地采用硬件冗余的方式。
因为硬件冗余设计具有可靠性高、实现简单、成本低等优点。
例如，在飞行器、高铁、核电站等高可靠性要求的领域，通常采用双路热备插槽服务器、多点采样等硬件冗余手段。
而在一些低可靠性要求的领域，如家电、智能穿戴等，软件冗余和信号冗余等手段相对更常用。
除了基本的硬件和软件冗余设计外，还可以通过其他方式提高嵌入式系统的冗余性。
例如，采用错误检测与纠正技术、自适应容错控制策略等。
错误检测与纠正技术是指通过检测和纠正错误位，提高系统可靠性的技术。
自适应容错控制是指根据系统状态，自适应调整容错控制策略，以适应系统的不同工作环境。
然而，冗余设计并不是一种完美的解决方案。
冗余设计虽然可以提高嵌入式系统的可靠性，但是同时也带来了一些不可避免的问题，如增加成本、增大系统复杂度、可能会导致单点故障等。
因此，在进行冗余设计时，需要权衡系统要求和成本等方面因素。
总之，对于嵌入式系统的冗余设计问题，需要根据系统要求选择合适的冗余设计方式。
船用嵌入式冗余智能网关的设计
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ｍｂ ｄ ｅ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ ｓ ａ ｔｇ ｔ ｗａ ｎ ｂ ａ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅｅ ｅ ｄ ｄ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｍ ｒ ａ ｅ ｙ ｏ ｏ ｒ
Ｙ Ｎ Ｙ ｎ Ｗ Ａ ｎ ｙｎ Ｃｔ Ｎ Ｌ ｉ Ａ Ｇ ａ ｇ Ｎ Ｍａ ・ ｉ ｇ ＩＥ ｅ Ｉｓｉ ｔ Ｏ ｏ ｅ ｌ ｔ ｄＡ ｔｍａｉ Ｓ ａ ｇ ａ Ｊａ ｔｎ ｉ ｒｉ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｕ ｅ ｆ ｗ ｒ ａ ｕｏ ｔ ｎ ｈ ｎ ｈ ｉ ｉ ｏ ｇＵｎｖ ｓ ｙ ｈ 培 ｔ Ｐ Ｐ ｎ ａ ｎ ｏ ｏ ｅ ｔ ａ ２ ｏ ３ Ｏｏ０
现场设备一级 ； 同时为了提高通信系统的可靠性 ，
冗余的设计也是不可缺少的。
片， 它是Ａ ｍ ｌ 司推 出的一款用 于工业 控制 的 ｔｅ 公 Ａ Ｍ９ 理 器 ， 基 于 Ａ Ｍ９ ０ Ｒ 处 它 Ｒ ２ Ｔ内 核， 作 在 工
１０ＭＨｚ ８ 频率 下 ， 运算 速 度高达 ２０ＭｔＳ 独 立 ０ Ｐ ， 的ｌ 指令 和 ｌ ６Ｋ ６Ｋ数据 ｃ ｈ ， 缓存 ， ａ ｅ写 ｃ 全功 能的 ＭＭＵ虚拟内存管理单元 ， 内部 的１ Ｂ Ｓ Ａ ６Ｋ Ｒ Ｍ和 １ ８Ｋ Ｏ 外 部总线接 口（ Ｂ ）最重 要的是 ２ ＢＲ Ｍ， Ｅ Ｉ， 其内含Ｅ Ｃ 以太 网控制器 ） 这就提高了集成 ＭＡ （ ， 度， 减少 了系统所需要的芯片数量 。
Ａ ￣ ｒ ｃ Ｔｈ ｅｉｎ ０ ｈ ｅｕ ｄ ｃ ｍａｔｇ ｔｗａ ｎｂ ａｄｂ ｔ ｅ ｈ Ｎ ｕ ｄＥｔ ｅｎ ｔ ｒ ｔ ｔ ｔａ ｔ ｅｄ ｓｇ ｆ ｅｒｄ ｎ ａ ｙｓ ｒ ａｅ ｙｏ ｏ ｒ ｅｗｅ ｎｔ ｅＣＡ ｂ ｓａ ｈ ｒ ｅ ｅｉ ｍ— ｔ ｎ ｎ ａ ｎ ｄ ｃｄ ｕ ｅ 、Ａ ｅ ｌａｉｎｐａ ｆｈ ｒ ｗａｅｉｔｒａ ｅｂ ｔ ｅ Ｉ ＲＭ ９ ０ ｎ ｈ ｒａｉ ｔ ｌ ｏ ｄ ｒ ｅｆｃ ｅｗｅｎ Ａ＇ ｚ ｏ ｎ ａ ｎ ｇｌ ２ ０ａ ｄｔ ｅＣＡＮ ｏ ｔｏｌ Ｃ ２ １ ｉｅ ． ｃ ｎｒ ｌｒＭ Ｐ ５ ０ｉ ｇｙ ｎ ｅ ｓ Ｔｈ ｏｔ ｒ ｓｇｖ ｎａｓ ｅｓｆ ｗａｅｉ ｉｅ ｌ ｏ．
基于BF537构建双冗余以太网的设计方案
基于BF537构建双冗余以太网的设计方案随着信息技术的高速发展，网络通信显得越发重要，以太网成为了各种控制系统接口互联的主要媒介。
在金融机构、军事应用等特殊应用场合对网络系统的稳定性要求非常高，为了提高系统的可靠性和抗毁性，采用双冗余的设计方式。
双冗余网络实现是以故障检测为基础，通过软件检查、交换机及网络节点的网卡协同处理。
冗余网络的构建方式通常是在每个网络节点采用双网卡，中间用2个HUB或交换机相连。
这样当某个节点的一块网卡、网线或者HUB出现故障时，系统会启用另一块冗余网卡使得系统仍能够正常运行。
本文提出了两种基于BF537的冗余网络构建方案。
1 BF537的结构特点BF537是Blackfin家族的升级产品，其在标准Blackfin内核的基础上拥有丰富接口，并在内部集成有以太网MAC控制器。
Blackfin内核包含2个乘/累加器(MAC)，2个40位的ALU，4个视频专用8位ALU和1个40位移位器。
运算单元处理来自寄存器组的8、16或32位数据。
每个MAC每周期可完成一个16位×16位的乘法运算，并把结果累加到40位的累加器中，提供8位的精度扩展。
ALU单元执行标准的算术和逻辑运算，由于2个ALU具备对16或32位数据操作的能力，因此运算单元具备的灵活性可以满足各种应用中信号处理的要求。
每个32位的输入寄存器可以作为2个16位的寄存器，因此每个ALU可以完成非常灵活的单16位算术运算。
通过把寄存器当作2个16位的操作数使用，双16位或单32位操作可以在一个周期中完成。
更好地利用第2个ALU，4个16位操作可以简单地完成，加速了每个周期的吞吐量。
强大的40位移位器功能丰富，可以对数据进行移位、循环移位、归一化、提取和存储等操作。
运算单元所使用的数据来自具有16个16位操作数或8个32位操作数的寄存器组。
同时BF537把存储器视为统一的4 GB的地址空间，使用32位地址并采用分级的存储器结构。
基于PowerPC的嵌入式系统的双冗余网口切换技术
2018年第5期 信息通信2018 (总第 185 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.No 185)基于PowerPC的嵌入式系统的双冗余网口切换技术张曼(中航工业计算所，陕西西安710068)摘要:Pow erPC处理器以其多样化功能和优异性能得到各领域广泛应用。
文章以powerpc8270为例，对嵌入式实 时操作系统V xW orks下配置多网卡通讯进行了研究和实现，并且着重阐述了双网卡保持同一 IP和M A C地址冗 余切换的方法。
同时，文中分析了 8270F C C在VxW orks操作系统下设备驱动程序在系统中的层次结构和网络设 备驱动程序的运行机制，并在此基础上针对DP83848Y B网络芯片给出了实现代码，此方法已经成功运用在某项 目中。
关键词:VxWorks;DP83848Y B;双网卡通信;冗余切换中图分类号:TP393 文献标识码:A文章编号:1673-1131(2018 )05-0116-020引言MPC8270是Freescale公司的一款多功能通信处理器，集 成了 PowerPC内核和通信处理内核，有较髙的集成度和较低 的功耗，能够简化电路板的设计，被广泛应用于使用PC I接口 的网络基础结构、电讯和其他嵌入式应用等方面。
双网卡冗余备份及智能切换技术，主要是为了解决系统 中，当一路以太网卡出现故障时，系统通讯会突然中断的问题，为了使系统通讯不中断，使用双冗佘网卡智能切换技术自动 切换到另一路冗余网卡上，不仅可以保证通讯能够不中断，还 可以提髙系统的可靠性和稳定性。
1硬件组成及工作原理双冗余网卡设计在MPC8270的CPU板上,MPC8270提 供了两路以太网接口 FCC1和FCC2,MPC8270内部的FCCW 配置成ethemet模式后，实现以太网物理层数据处理和控制功 能即M AC层功能，来与外部物理层PH Y芯片DP83848连接，连接关系如图1所示。
一种新型双机冗余系统的设计与实现
一种新型双机冗余系统的设计与实现
长 沙 铁 道 学 院 现 代 教 育 技 术 中 心 !"#$$%&’
摘 要： 分析了带专用检测转换电路的双机冗余系统存在的可靠性问题， 提出了利用双机的
串行口代替专用检测转换电路， 通过串行通信相互检测主备机工作状态， 由软件完成备机切换成 主机的新型设计思想， 给出了此类系统的软件模板。 关键词： 双机 冗余 切换
冗余技术是计算机系统可靠性设计中常用的一种技 术， 是提高计算机系统可靠性的最有效方法， 同时也是鉴 别各类计算机控制系统好坏的标志之一。 故世界各地厂商 推 出 的 新 产 品 都 或 多 或 少 带 有 冗 余 技 术 。 如 美 国 的 ’(") 德国的西门子和日本的三武等， 它们都有一个共 *+,*-- 、 同的特点， 就是自己设计了专用检测转换电路来实现主备 切换。 本文提出一种新的构思， 取消专用检测转换电路， 采 用一种高效、 实用的软件冗余技术来完成双机切换。
通信由定时器 < D(%7@AYXXB ； O R 等待与对方建立通信连接， 的中断例程完成 R O
*."%(A<B
O R 备机单元的前台例行监控循环 R O
G"HA96&:070&,WW:CSUDV\B *."%(A96&:070&,WW:CSUDV\B O R 在 备 机 状 态 中 循 环 R O G和 应 用 系 统 实 现 相 关 的 备 机 例 程 ； "HAAI87"%&2(B[[A56’70(B[[2($("?(FH274(ABB 56’70(WH7%,( ； Q (%,( G56’70(W02&( ； O R 以便在未来的备机联机后再次发送备
一种嵌入式系统高可用冗余方案
嵌入式系统处理器、存储器存在受电磁干扰影响正常启动，系统可用性低问题。
本文从软件方面着手设计一套冗余方案，在不添加硬件成本的提前下提高系统可用性。
方案涉及看门狗保护启动阶段技术、U-Boot防串口干扰技术、U-Boot校验内核完整性和匹配技术、冗余双内核倒换技术、文件系统分区管理技术。
最后从多方面测试本方案的有效性，具有不错的应用前景。
1.引言嵌入式产品由于处理器、存储抗干扰能力不强，在高、低温下工作不稳定也可导致处理器跑飞。
业界嵌入式系统抗干扰和可靠性设计包括看门狗、指令冗余、数据校验、数模信号过滤（赵坤鹏，不依赖人重启。
看门狗定时器（Watchdog Timer ）是一个电子定时器，用于监测计算机故障并从中恢复，在正常运行期间，计算机重置看门狗定时器以防止它超时，俗称“喂狗”，如果由于硬件故障、程序错误，计算机无法重置看门狗，定时器产生超时信号，信号通常使计算机重启（罗丹，王会燃，基于9263的嵌入式测控系统看门狗技术研究：软件导刊，2015；王彬，李文新，李得天，刘礼，通过看门狗软件设计提高抗干扰能力的方法：计算机技术与发展，2012）。
本设计中也采用看门狗监测系统故障：U-Boot 启动后立即打开看门狗，设置2s 看门狗超时，要求U-Boot 在这2s 内完成将内核从存储设备载入内存；若处于U-Boot 命令模式则设置60s 看门狗超时，一种嵌入式系统高可用冗余方案桂林聚联科技有限公司 蔡爱华 吴梦龙 阳 韬图1 存储器分区吴龙胜，马徐瀚，等.一种基于矩阵的并行CRC 校验算法：电子设计工程，2017；伍伟杰，嵌入式系统软件可靠性和抗干扰技术：电子产品可靠性与环境试验，2006）。
本文提供一种系统组织方案保障系统可靠性、可恢复性，可绕过有缺陷的内核，应用程序丢失可升级。
本系统由看门狗和5个存储分区组成，5分区分别存储U-Boot 、第一内核、第二内核、只读文件系统第一分区、可读写文件系统第二分区，如图1所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第４１卷第５期２０１８年１０月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ ４１㊀Ｎｏ ５Ｏｃｔ.２０１８收稿日期:２０１７－１１－０８㊀㊀修改日期:２０１８－０１－０２ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＥｍｂｅｄｄｅｄＤｕａｌＲｅｄｕｎｄａｎｔＮｅｔｗｏｒｋＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＺＨＯＵＹｕｎｓｈｕｉ１∗ꎬＪＩＡＮＧＢｏ２ꎬＬＩＪｉａｎ２(１.ＺｈｅｊｉａｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｈａｏｘｉｎｇＺｈｅｊｉａｎｇ３１２０３０ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＨａｎｇｚｈｏｕＮａｖｉｇａｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＣｏ.ꎬＬｔｄꎬＨａｎｇｚｈｏｕ３１００２４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＵＤＰｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎬａｎｅｍｂｅｄｄｅｄｄｕａｌｒｅｄｕｎｄａｎｔｎｅｔｗｏｒｋＵＤＰｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２Ｆ４２９ａｎｄＷ５５００ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ.Ｔｈｅｍｕｔｕａｌｈｏｔｂａｃｋｕｐｄｕａｌｒｅｄｕｎｄａｎｔｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｈａｒｄｗａｒｅꎬａｎｄｔｉｍｅｓｌｉｃｅｐｏｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｏｆｔｗａｒｅ.ＭＣＵｆｏｕｎｄｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｆａｕｌｔｂｙｒｅａｄｉｎｇｔｈｅｒｅｇｉｓｔｅｒｓｏｆＷ５５００.Ａｆａｓｔａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｈａｎｄｏｖｅｒｓｔｒａｔｅｇｙｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｈａｎｄｏｖｅｒｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｎｅｔｗｏｒｋｓꎬａｎｄｔｈｅｈａｎｄｏｆｆｔｉｍｅｗａｓｌｅｓｓｔｈａｎ１０ｍｓ.Ｉｔｗａｓｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｗｈｅｎｗｏｒｋｉｎｇｉｎｒｅａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｍｂｅｄｄｅｄꎻｄｕａｌｒｅｄｕｎｄａｎｔｎｅｔｗｏｒｋꎻＵＤＰꎻｔｉｍｅｓｌｉｃｅｐｏｌｌｉｎｇＥＥＡＣＣ:６２１０Ｃ㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１８.０５.０４２嵌入式双网冗余通信设计与实现周云水１∗ꎬ江㊀波２ꎬ李㊀健２(１.浙江工业大学之江学院ꎬ浙江绍兴３１２０３０ꎻ２.杭州航海仪器有限公司ꎬ杭州３１００２４)摘㊀要:为提高ＵＤＰ网络通信的可靠性ꎬ设计了一个基于ＳＴＭ３２Ｆ４２９和Ｗ５５００的嵌入式双网冗余ＵＤＰ通信模块ꎬ硬件上设计了相互热备份双网冗余电路ꎬ软件上采用了时间片轮询方法ꎬ通过读取Ｗ５５００状态数据发现网络故障ꎬ并设计了快速可靠的切换策略ꎬ实现了两路网络的切换ꎬ切换时间小于１０ｍｓꎮ该设备在实际应用过程中ꎬ工作稳定可靠ꎮ关键词:嵌入式ꎻ双网冗余ꎻＵＤＰꎻ时间片轮询中图分类号:ＴＰ３３６㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１８)０５－１２９６－０４㊀㊀在一些工业现场ꎬ广泛采用嵌入式ＵＤＰ网络进行数据传输ꎬ但大部分是传统的单链路网络ꎬ由于工业现场环境复杂ꎬ无法避免的网络故障(网线松动㊁交换机等故障)可能会导致传输中断ꎮ另外ꎬＵＤＰ通信没有反馈机制和数据丢失重传机制ꎬ也无法保证数据的可靠传输[１－２]ꎮ为提高ＵＤＰ通信的可靠性ꎬ常在工业网络中采用相互热备份双网冗余切换的保障策略ꎬ其网络拓扑结构如图１所示ꎬ该拓扑结构采用双网级联的形式ꎬ对于单个设备来说ꎬ某个时刻ꎬ只有一个网络在工作ꎮ若网络Ａ在工作中一旦发生故障ꎬ立即切换到网络Ｂꎬ反之ꎬ也一样ꎮ网络Ａ和Ｂ配置成相同的ＩＰ地址和端口ꎮ图１㊀双冗余网络拓扑结构针对拓扑结构中的设备ꎬ本文设计并实现了在ＡＲＭ￣ｃｏｒｔｅｘ￣Ｍ４系列器件ＳＴＭ３２Ｆ４２９ＶＥ上完成双第５期周云水ꎬ江㊀波等:嵌入式双网冗余通信设计与实现㊀㊀网冗余切换热备份ＵＤＰ通信ꎮ硬件采用了ＳＴＭ３２Ｆ４２９ＶＥ自带的两路ＳＰＩ接口分别与两路网络控制芯片Ｗ５５００连接ꎬ软件采用了时间片轮询方法ꎬ通过读取Ｗ５５００状态数据发现网络故障ꎬ并设计了快速可靠的切换策略ꎬ实现了两路网络的切换ꎬ切换时间小于１０ｍｓꎬ提高了ＵＤＰ网络数据传输的可靠性[３－５]ꎮ１㊀硬件设计１.１㊀主要器件１.１.１㊀ＳＴＭ３２Ｆ４２９微控制器本设计采用意法半导体(ＳＴ)公司的ＳＴＭ３２Ｆ４２９ＶＥꎬ该芯片是以３２位Ｃｏｒｔｅｘ￣Ｍ４为内核ꎬ具有１８０ＭＨｚ的工作频率ꎬ内置高速存储器(５１２ｋｂｙｔｅＦＬＡＳＨꎬ２５６ｋｂｙｔｅＲＡＭ)和６路ＳＰＩ及其他丰富的外设接口ꎮ图３㊀其中一路网络电路图１.１.２㊀Ｗ５５００以太网接口芯片本设计采用ＷＩＺｎｅｔ公司的高性能以太网接口芯片Ｗ５５００ꎬ其内部集成了全硬件ＴＣＰ/ＩＰ协议栈㊁以太网数据链路层(ＭＡＣ)和１０ＢａｓｅＴ/１００ＢａｓｅＴＸ以太网物理层(ＰＨＹ)ꎮＷ５５００支持ＴＣＰ㊁ＵＤＰ㊁ＩＣＭＰ㊁ＩＰｖ４㊁ＡＲＰ㊁ＩＧＭＰ㊁ＰＰＰｏＥ８０ＭＨｚ时钟的ＳＰＩ接口ꎮ与传统软件协议栈不同ꎬＷ５５００内嵌的８个独立硬件Ｓｏｃｋｅｔ可以进行８路独立通信ꎬ该８路Ｓｏｃｋｅｔ的通信效率互不影响ꎬ可以通过Ｗ５５００片上３２ｋｂｙｔｅ的收/发缓存灵活定义各个Ｓｏｃｋｅｔ的大小[７－８]ꎮ１.２㊀硬件电路设计ＳＴＭ３２Ｆ４２９通过两路自带的高速ＳＰＩ接口与两个Ｗ５５００相连ꎬ其原理框图如图２所示ꎮ图２㊀双网冗余硬件原理框图图２中ꎬ一路网络的实际电路图如图３所示ꎬ该路Ｗ５５００通过ＳＰＩ接口与控制器ＳＴＭ３２Ｆ４２９的ＳＰＩ１相连ꎬ其ＲＸ差分对㊁ＴＸ差分对与带ＲＪ４５的网络变压器ＨＲ９１１１０５Ａ相连[９]ꎮ７９２１电㊀子㊀器㊀件第４１卷２㊀软件设计２.１㊀软件流程图本软件设计采用时间片轮询方法ꎬ将整个处理过程分成４个任务ꎬ分别是 网络切换任务处理 ㊁ 网络接收任务处理 ㊁ 网络发送任务处理 ㊁ 超时及调度任务处理 ꎬ每个任务占用１ｍｓ时间ꎬ也就是每４ｍｓ判断了一次两个网络的状态ꎬ若发生网络切换ꎬ切换时间不会超过４ｍｓꎮ其主循环流程如图４所示ꎮ图４㊀主循环流程图图４中ꎬ 初始化 主要包括 系统时钟配置㊁端口设置㊁定时器设置㊁看门狗设置㊁Ｗ５５００ＵＤＰ网络参数配置 等ꎬ两路Ｗ５５００配置成相同的ＩＰ地址㊁相同的源端口㊁相同的目的端口ꎮ另外ꎬ控制器读取两个Ｗ５５００的ＰＨＹＣＦＧＲ寄存器状态ꎬ判断两个网络其是否处于ＬＩＮＫ状态ꎬ若两个都处于ＬＩＮＫ状态ꎬ则选择其中一个作为网络发送任务的网络ꎻ若有一个或两个网络未处于ＬＩＮＫ状态ꎬ则报故障ꎬ查明原因㊁修复后才进入后续主循环任务ꎮ２.２㊀各个任务处理流程２.２.１㊀网络切换任务处理网络切换的策略设计如下:判断两个网络是否处与ＬＩＮＫ状态ꎬ共有３种情况ꎬ第１种情况是两个网络都处于ＬＩＮＫ状态ꎬ则根据当前是哪个网络接收到数据就激活哪个网络的原则ꎬ确定网络发送任务的网络ꎻ第２种情况是两个网络只有一个处于ＬＩＮＫ状态ꎬ则只能激活这个网络ꎬ确定它为网络发送任务的网络ꎬ并报故障信息ꎻ第３种情况是两个网络都未处于ＬＩＮＫ状态ꎬ报两个网络均故障信息ꎮ激活网络的方法是对该Ｗ５５００复位ꎬ重新配置网络参数ꎮ其处理流程图如图５所示ꎮ２.２.２㊀网络接收任务处理本设计采用查询的方式进行网络数据接收ꎬ并对接收到的数据进行相应的处理ꎬ其处理流程图如图６所示ꎮ图５㊀网络切换任务处理流程图图６㊀网络接收任务处理流程图２.２.３㊀网络发送任务处理根据网络切换任务处理的结果选择相应的网络ꎬ将待发送的数据存入发送缓存器中ꎬ启动网络发送任务ꎮ处理流程图略ꎮ２.２.４㊀超时及调度任务处理本设计中ꎬ由于采用ＵＤＰ通信方式㊁还可能在收发报文时发生网络故障ꎬ因此设计了超时处理流程ꎮ若在向某设备发送了某些网络报文后未能在规定的时间内未收到其网络应答报文ꎬ则启动超时处理ꎬ比如再次发送报文等措施ꎬ尽量避免报文遗漏ꎮ处理流程图略[１０－１２]ꎮ３㊀系统测试设备实物如图７所示ꎬ配置其网络参数如下:网关参数１９２.１６８.１.１ꎬ子网掩码２５５.２５５.２５５.０ꎬ本机ＩＰ地址１９２.１６８.１.１０ꎬ源端口号５０００ꎬ目的端口号６０００ꎬ工作模式为ＵＤＰꎮ通过双网连接到两个交换机ꎬＰＣ１和ＰＣ２也分别连接到两个交换机ꎬ其验证测试硬件连接如图８所示ꎮ８９２１第５期周云水ꎬ江㊀波等:嵌入式双网冗余通信设计与实现㊀㊀图７㊀设备实物图８㊀验证测试连接图测试过程如下ꎬ首先设置网络Ａ处于激活状态ꎬ通过ＰＣ机以５００次/ｓ的频率向网络Ａ发数据ꎬ在 超时任务处理 中增加串口发送 网络切换时间 功能ꎮ经多次插拔网络Ａ的网线ꎬ人为模拟网络Ａ故障ꎬ检测网络切换时间ꎮ检测方法如下ꎬ当检测到处于激活状态的网络Ａ发生故障时ꎬＳＴＭ３２Ｆ４２９读取此时的ＳＹＳＴＥＭＴＩＣＫ值ꎬ当网络Ｂ正常接收数据时ꎬ再次读取ＳＹＳＴＥＭＴＩＣＫ值ꎬ两者的差值就是的网络切换时间间隔ꎬ经过多次试验ꎬ网络切换时间均小于１０ｍｓꎬ该嵌入式ＵＤＰ双网冗余通信系统工作正常ꎮ４㊀结束语本设计硬件采用了高性能的ＳＴＭ３２Ｆ４２９与相互备份的两路Ｗ５５００ꎬ软件应用了时间片轮询方法ꎬ设计了可靠的网络切换策略ꎬ实现了嵌入式双网冗余ＵＤＰ网络通信ꎬ该设备工作稳定可靠ꎮ参考文献:[１]㊀屈景怡ꎬ杨俊ꎬ高泽应ꎬ等.空管系统中高可靠性双网冗余方法研究[Ｊ].计算机应用研究ꎬ２０１４ꎬ３１(８):２４３０－２４３３.[２]李乐义ꎬ史洪源ꎬ杜军钊.基于ＣＰＬＤ的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ￣ＤＰ冗余双网切换逻辑的设计[Ｊ].测控技术ꎬ２０１１ꎬ３０(２):８３－８５.[３]易宇航ꎬ张开法ꎬ田广平.基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ￣Ｍ４双网口扩展的设计与实现[Ｊ].自动化与仪表ꎬ２０１６(１０):７４－７６.[４]吕跃刚ꎬ刘浩ꎬ李子民.Ｗ５５００在风电机组状态监测远程通信的应用[Ｊ].仪器仪表用户ꎬ２０１５ꎬ２２(３):６２－６４.[５]汤巧戈ꎬ高强ꎬ刘超.基于ＳＴＭ３２的嵌入式以太网定位系统[Ｊ].兵工自动化ꎬ２０１７ꎬ３６(５):１７－２０.[６]杨俊ꎬ屈景怡ꎬ吴仁彪.基于双网的高可靠ＵＤＰ通信方法[Ｊ].计算机工程与设计ꎬ２０１６ꎬ３７(３):５６７－５７０.[７]强景ꎬ赵多ꎬ王红兵.ＰｗｅｒＰＣ下双网冗余热备份高速切换技术的实现[Ｊ].单片机与嵌入式应用系统ꎬ２０１６ꎬ３:２４－２６.[８]徐业荣ꎬ包明磊ꎬ李明.一种基于ｌｗＩＰ协议栈的双网口通信方案设计[Ｊ].计算机应用与软件ꎬ２０１６ꎬ３３(９)１２７－１２９.[９]曾红ꎬ党盼盼.基于Ｗ５５００的嵌入式系统以太网网关设计[Ｊ].网络安全技术与应用ꎬ２０１５(２):３６－３７.[１０]翟明玉ꎬ高原ꎬ杨志宏.调度自动化系统双网卡热备冗余机制的设计与实现[Ｊ]电力系统自动化ꎬ２０１２ꎬ３６(８):８７－９１.[１１]张丽蓉.双网冗余模块的设计[Ｊ].计算机工程ꎬ２００２ꎬ２８(１２):１６０－１６２ꎬ２２０.[１２]陈昕ꎬ杨杰ꎬ周拥军.航空全双工交换以太网冗余管理机制研究[Ｊ].计算机工程与应用ꎬ２００９ꎬ４５(２):１０２－１０５.周云水(１９７５－)ꎬ江西临川人ꎬ男ꎬ讲师ꎬ主要从事嵌入式㊁无线通信等方面的研究ꎬｚｈｏｕｙｓ＠ｚｊｕｔ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ９９２１。