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工业光纤自愈以太环网核心模块 1.功能简介 802Module 模块可以将多个站点的以太网信号复合到环形光纤链路中传输。模块支持对光纤环路的自动检测和倒换，倒换时间不大于50ms。支持2个环路光口和1个支路光口可组建链形、环形、T形等各种光纤网络。模块的MAC口速率100Mbit/s符合IEEE802.3标准，支持VLAN帧传输，可连接交换芯片。模块有带内网管通道支持全局网管，并有自动的数据链路测试和故障复位功能。整个模块电路由大规模FPGA和通用芯片组成，FPGA程序自主开发并拥有技术产权。模块尺寸小巧，使用工业级元件生产。模块支持电源冗余，符合工业级设计要求。802Module模块可广泛应用在以太网自愈光端机、工业级环网交换机等产品中。 2.模块特点 环网采用FDDI简化协议，各个接口均兼容IEEE802.3标准； 支持广播风暴抑制 自动对数据包进行过滤和MAC地址记忆；  MAC地址存储RAM环路光口64Kbit 、其余接口16Kbit； PHY接口数据缓冲RAM 32Kbit公共数据缓冲RAM 512Kbit； 环路、支路光接口协议均兼容IEEE802.3U-100M-FX； 光口外围电路简单可直接在电阻匹配下连接PECL光器件； 支持2个光纤环路同时传输，每站最高带宽196Mbit/s； 支持光纤环路的检测和自愈合，故障倒换时间不大于50ms； 光口可组建链形、环形、T形、复合形等各种光纤网络； 网络链路中最多容纳站点数为128，要求每站地址唯一； 有光路断、环路断、数据LINK等多种LED指示输出； 完善网管设计带内全局网管支持，标准9.6K串口连接； 可通过带内网管通道传输12Bit外部开关量数据； 支持自动数据链路测试，实现模块死机等故障自动复位恢复； 下行MAC接口为PECL电平可连接RTL8305SB等交换芯片； MAC接口最高过滤和转发速率64By-148810帧/S，支持VLAN； 模块单5V供电并采用工业级标准设计，支持电源冗余； 拥有自主技术产权可以提供完善的技术支持。 3.管脚定义模块管脚方位图P1 属性标注说明： O 管脚为模块输出脚； PU 管脚需要外部上拉； I 管脚为模块输入脚； TTL 管脚为TTL电平逻辑； P 管脚为电源脚； PECL 管脚电平为PECL电平逻辑。 3.1模块前排管脚: 3.2模块后排管脚: 3.3模块侧排管脚: 4.模块工作原理 4.1模块协议环路光口原理 系统环路光口采用简化的FDDI光纤分布数据接口协议，实现了高速以太网的环形链路传输和冗余保护。由光纤构成的FDDI，其基本结构为逆向双环，如图P4-1所示。当两个环路都正常时，数据帧可以在环路上选择任一方向传输。当环上的设备失效或光缆发生故障时 失效方向的数据会被倒换到另一方向继续传输。完成这种故障容错能力是其它网络所没有的。模块光路示意图P4-1 模块FDDI访问的方法与令牌环网的访问方法类似，在网络通信中采用“令牌”传递。它与标准的令牌环又有所不同，主要在于FDDI使用定时的令牌访问方法。FDDI令牌沿网络环路从一个站点向另一个站点移动，如果某结点不需要传输数据，FDDI将令牌直接传递到下一个站点中。如果处理令牌的站点需要传输，那么就在规定的令牌循环时间内发送数据帧。由模块组成的环形链路中，主站模块负责令牌的发放和管理，令牌发放的数量为环网站点数取偶的一半，多个站点的多个帧可同时在网络中传输，有效的提高了通信的容量。故障倒换原理 环路中光纤环路的检测和倒换都由802Module模块来完成。每站按照令牌循环时间为间隔单位，依次发送带有序列标记的令牌，当环路正常时带有标记的令牌会在令牌循环时间内再次传到本站模块，若在令牌循环时间过后还没有收到任何带有标记的令牌时模块将启动光纤倒换程序，将令牌和数据切换到另一链路中发送和传输。当故障链路恢复后模块再次启动倒换到原来的链路。故障倒换示意图P4-2 令牌循环时间 模块的令牌循环时间等于站点间数据传输需要的总时间加上最大的帧在网络上沿环路进行传输的时间。网络站点数为上限值128个时令牌循环时间为50ms。故障倒换时间 模块的故障倒换时间理论上就是令牌循环时间，但考虑各个站点的数据缓冲延时，在环网有128个站点时实际的故障倒换时间应小于令牌循环时间，即不大于50ms。需要说明的是在链路中令牌传输有最高的优先级，所以故障倒换时间与链路中传输业务数据的大小没有任何关系。协议模型 标准的FDDI协议支持：同步和异步两种类型的包。模块协议进行简化后仅支持异步数据包的传送，并加入了支持自动识别和兼容IEEE802.3（Ethernet）的协议。模块环路光口具有双连接站的功能，带有MAC能够自动进行数据帧的协议封装和转发，模块协议模型如下： MAC地址管理 环路光口的MAC地址的记忆和数据包过滤非常重要。当一个Ether数据包经过处理后由环路光口A进行发送时，数据包的MAC地址就会自动存储到环路光口A的TX MAC地址FIFO中。光口A收到链路中的数据包时，要将收到包的地址和TX MAC地址FIFO中的地址进行比对，若相同则将包丢弃，不同则记录MAC地址到RX-MAC FIFO中。每个数据包都遵循这个规则，这样处理有效的保证了环路数据不会被反复发送。 支路光口和下行MAC口的MAC处理规则符合IEEE802.3规定。MAC的容量等参数请参考《5.模块详述》。 网管通道 模块将所有的管理数据封装成以太数据包和业务数据一起传送。因为网管信息甚少，所以占用的业务带宽可忽略。封装数据包的协议为二层，数据帧的MAC地址唯一并在出厂时固定，不需要客户二次设置。另外用户也可以通过这个通道传输12Bit的开关量信号，如LED指示等。12Bit发送数据可通过模块的串行输入口串行输入，模块的串行口可连接74HC165等并串转换芯片，数据位含义可灵活定义。具体连接原理图请参考《5.模块详述－5.8》 。 模块支持全局网管如下图，监控中心A不仅可以监控到在一个环网中的B，还可以通过支路光口监控到另一环路中的C和环路连接的支路中的D，需要注意的是复合网络中所有站点的站地址必须唯一。全局网管图P4-4 4.2原理框图 模块主要由PHY物理接口芯片IC-01、FDDI协议处理FPGA WL-081、以太数据包仿真FPGA WL-082、程序配置及管理CPU、冗余电源电路等组成框图如下。模块原理框图P4-5 PHY芯片IC－01主要完成物理层的数据收发和缓冲，数据信号在光纤介质中的调制解调。FDDI协议处理WL-081负责环网的管理、令牌的收发解析和传递、环路光纤的故障检测和链路倒换、不同协议数据帧的转换和缓冲、各个接口数据帧MAC的管理等，它是模块的核心采用100万门FPGA，核心工作频率200MHz。以太数据包仿真 WL-082完成二层以太数据的打包和二层链路的测试，同CPU共同完成本地模块状态的远传和对远端模块的管理。模块CPU采用8位高速单片机，它可对程序芯片进行配置和管理，同时它通过串口和监控终端连接。模块电源为冗余热备份工作模式，模块器件均选用优质工业级器件MTBF大于10万小时。 模块内部有上电自动复位电路。为适应复杂的工业环境应用，系统引入了自动监管CPU。CPU内部有WDT看门狗能保证在任何状态下都能正常工作。CPU除进行网管通讯外还要对模块的所有芯片进行监控。当检测到芯片工作有异常时就会通过管理接口复位部分的芯片电路或者进行全局复位。CPU还通过WL-082的配合对业务通道进行监控，当发现有广播风暴等数据通讯异常时，就会对部分接口发送Pause帧进行管理。 5.模块详述 5.1模块尺寸模块尺寸表b5-1 注意：高 是指模块上下两面器件的最大厚度，包括散热片尺寸。 5.2工作条件工作温度 0℃ ～ +85℃ 贮存温度 -40℃ ～ +85℃ 相对湿度 95 % 无腐蚀性和溶剂性气体，无扬尘。 5.3电源电源输入范围：直流4.5V-5.5V 启动电流： 小于 700 mA 整板功耗： 小于 3.5 W 模块内部电源及功耗：模块内部电源及功耗表 b5-2 5.4环路和支路光口 5.4.1环路光口环路光口协议 环路光口协议兼容IEEE802.3U-100FX，接口数据采用简化FDDI协议传输，业务数据速率为98M。环路光口物理层采用成熟PHY芯片，内部集成高稳定时钟提取电路和每光口16Kbit的独立数据缓冲RAM。环路光口FDDI协议组装解析处理采用自主芯片完成，每一个环路光口分配缓冲RAM 128Kbit，MAC地址记忆深度可到2048个，学习过滤规则符合IEEE标准并支持地址表快速老化。环路光口的作用 环路光口是用来进行组建环形或链形网的接口。每个模块支持2个环路光口，它们被定义成 环路光口A 和环路光口B。当两个或两个以上的模块组网时 环路光口 就可以将他们连接起来。两个模块的 环路光口A 和环路光口B 之间可以任意交叉连接：环路光口交叉连接表b5-3 当用多个模块组建链形网时，网络两头的模块没有用到的环路光口可以不作处理，但绝对不能进行自环。组建链形网时模块不能进行故障倒换和自愈合。使用注意事项 在使用中 环路光口 只能和 环路光口 连接，不能和支路光口连接。应用时所有的环路光口都不能进行自环，若有光口自环环网数据将造成堵塞，所有模块倒换功能失效。接口电器特性接口模块管脚是:光口A Q9 - Q12 / 光口B Q15 - Q18 接口电平为PECL电平，速率为125MHz。接口的物理电器特性符合PECL标准具体参考如下：光口PECL电平表b5-4 接口典型电路 环路光口可连接3.3V或5V一体化PECL电平155M光模块，外围电路简单仅需几只匹配电阻，电路参考如下： 5.4.2支路光口支路光口协议 支路光口符合IEEE802.3U-10FX－100FX标准，接口数据采用快速以太网协议传输。接口等同于一个以太口光纤收发器，能自动进行10/100M、全半双工的协商，支持Pause帧和最长1536By的数据帧传送。接口有独立的数据缓冲区，MAC地址记忆深度可到1024个，有快速MAC地址学习能力。支路光口的作用 支路光口可以实现两个环形网之间的桥接，也可以作为一个站点的T形延伸，并可与通用光纤收发器、光口交换机等光路互通。接口电器特性接口模块管脚是:光口C 管脚 Q23 – Q26 接口的物理电器特性等同于环路光口，特性可参考b5-4。接口典型电路 支路光口可连接3.3V或5V一体化PECL电平155M光模块，连接3.3V/155M/PECL光器件可参考图P5-1/ P5-2。 5.5 MAC接口 MAC口协议 MAC下行口符合IEEE802.3U以太标准，接口数据采用快速以太网协议传输。端口工作在100M全双工模式。接口支持Pause帧和最长1536By的数据帧传送。接口有独立的数据缓冲区，MAC地址记忆深度可到1024个，有快速MAC地址学习能力。 MAC下行口的作用 MAC下行口可以实现与环路、支路光口的数据缓冲和转发。MAC下行口没有数据帧CRC效验处理，所以要连接以太交换芯片使用。 MAC下行口为PECL电平可以和交换芯片的FX光接口对接。建议与之连接的以太网交换芯片 REALTEK RTL8305SB，电路参照DEMO。 MAC接口模块管脚是: H23–H26。与交换芯RTL8S05SB的FX光接口对接的电路如下： 5.6指示灯模块输出指示灯 Q3 OP-LOOP 环路断指示告警，建议连接红色告警LED。当多个模块组成环形网时，2条光纤环路中任一条环路出现断裂或误码超出门限时此指示输出低电平告警，2条环路都恢复正常后此指示为正常状态输出高电平。倘若模块组成的不是环形网（如链形网）时则此指示为常告警状态，此时不影响数据传送。 Q5 OP－LOSA 环路光口A无光信号告警，建议连接红色告警LED。当此光口的接收侧收不到可解析的数据流时输出低电平告警，同时切断此光口的发射端促使对端也出现无光告警。 Q6 OP－LOSB 环路光口B无光信号告警，同Q5 OP－LOSA。 Q21 LINK-C 支路光口连接和数据收发指示，建议连接绿色指示LED。当支路光口连接到另一模块支路光口时输出低电平点亮LED，有数据收发时指示灯为闪动。当光口接收侧没有信号时此脚输出为高电平。 H19 LINK-LED MAC下行口连接和数据收发指示，同Q21 LINK-C。指示灯2.5V电源输出 Q4 Q22 H20 LED-2.5V 模块输出指示灯2.5V电源输出。各管脚在模块内是连在一起的。模块指示灯输出管脚须串连一220欧姆的限流电阻后再连到模块2.5V电源输出脚，如下：模块内部指示灯为了方便模块调试，模块上也设了一个指示灯。含义如下：不亮：模块电源不正常；常亮：模块各种电源工作正常，但系统没有工作；闪动：模块各种电源工作正常，所有芯片和程序都工作正常。 5.7功能设置主从站设置 H3 模块主/从站设置，此管脚需要模块外部加一个1K－10K上拉电阻，当此管脚为高电平时模块被设定为从站，低电平时为主站。在环形和链形网中只允许有一个主站存在，其余各站均要设为从站。可选择任一站为主站。T形连接的另一个环形或链形网中也要有一个主站存在且是唯一的，其余为从站。注意：模块在组网时必须要对 主/从站 进行正确设置。站地址设置 H4-H10 模块地址设置，管脚需要模块外部加一个1K－10K上拉电阻，管脚高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。模块地址为二进制范围是0－127。无论用模块组建任何网络(环形、链形、T形、复合型)，网络中的所有模块的站地址都必须是唯一的，不能重复使用。在组网时建议站地址从0开始并连续使用，这样既便于组网又便于网管和监控。功能设置电路参考 模块功能设置管脚是TTL电平的三态输入口，所以需要在外部加上拉电阻，如下图。功能设置脚在使用时通过硬跳线进行设定。这些设置与环网协议密切相关，组网时只有保证了设置的准确性后才能实现模块的倒换、自愈合、自动测试等功能。 5.8网管接口 模块的网管口的主要功能是：查看本地及网络中其它模块的状态、进行本地和网络中其它模块之间的开关量数据传送。物理串口 模块网管口采用标准异步串口通讯方式，并固定为：1位起始位、8位数据位、1位停止位。速率为9.6Kbit/s，半双工模式。网管接口连接RS232电平转换芯片后可直接与PC机串口连接。传输协议 网管口和PC机之间的通讯过程是：首先由PC向模块发送 查询帧，模块收到查询后给出 答复帧。注意 在PC发出查询帧后需等待答复帧至少2秒钟，在等待中收到查询帧或2秒后还没有收到答复帧时可再次发送查询帧。网管传输协议流程图P5-6 传输帧结构查询帧帧格式如下：查询帧帧格式b5－5 By1 8E 为固定同步字头(十六进制数)； By2 ADDR 为要查询模块的的地址（0－127），要查询本地模块时也要输入本地模块地址。 模块答复帧帧格式如下：模块答复帧帧格式b5－6 By1 8E 为固定同步字头(十六进制数)； By2 ADDX 为回复查询模块的地址。ADDX的Bit0- Bit6对应地址ADD0-ADD6二进制数0－127。 By3 By4 DATA0－1 模块的状态数据字节1－2，含义如下：答复帧数据字节含义b5－7 OP-LOOP ADD地址模块的光纤环路断路告警； OP-LOSA ADD地址模块的环路光口A无光告警； OP-LOSB ADD地址模块的环路光口B无光告警； LINK-C ADD地址模块的支路光口C LINK指示； Bit4-7 ADD地址模块Bit0-3开关量信号； DATA-1 ADD地址模块Bit4-11开关量信号。 串行口输入参考电路 模块支持外部12Bit开关量信号通过带内网管通道传输。串行口可连接74HC165等并串转换芯片，参考电路如下：串行口输入参考电路 P5-7 6.模块应用说明 模块选用质量可靠的工业级器件。模块出厂前都进行高温24小时常温48小时老化，并逐一进行功能测试，有很好的质量保证。 6.1 802Module模块的应用 双光口环网光纤收发器 以太光纤收发器已经在网络中大量应用，但传统的收发器只能点对点的将数据通过光纤介质远传，没有保护机制更不能组建环网等复杂网络。选用802Module模块加价格低廉的交换芯片组成的环网光纤收发器就可以轻松解决上述问题。它既可以点对点使用又可以组网使用，并且有完善的通道保护和全局网管。环网光纤收发器可广泛用于部队、电力、银行等重要部门的光纤网中。环网光收发器组网灵活成本低廉的特点也特别适用于电力配网自动化等领域。工业级光纤冗余交换机 对工业自动化应用的交换机来说，链路冗余非常重要，它可增加系统的可靠性。选用802Module模块构建交换机的光口可轻松实现链路冗余，并且几乎不用作任何配置。当系统网络的任意网段与网络断开连接的时候，自动化系统将在50ms之内恢复正常。模块符合工业级标准并且支持电源冗余备份，另外它丰富的接口可以很好的适应复杂的工业网络要求。强大的故障回复功能、完备的LED指示和计算机网管接口也使得模块更适合在工业交换机中应用。以太口光纤综合复用设备 以太口接口除了在Internet网络中大量应用外，还以它所具有的接口速率高、传输距离远、容易汇聚等优点在工业测控等领域得以广泛应用。原测控等设备接口种类繁多，以太口光纤综合复用设备可以将多种设备接口转换复用到2条冗余光纤链路中并进行传输和汇聚。它可大量应用在电力、煤炭、石油等行业的测控网络中。 以太口光纤综合复用设备802Module模块和各种接口转换板组成。802Module模块构建综合复用设备的冗余光路和网管接口，转换板完成多种业务接口到以太口的转换和汇聚。各种以太接口转换板支持的接口可包括：RS232/RS485/RS422、CAN、音频、IP电话、64K同步数据、E1等。设备能适应各种复杂光纤布线网络并能对网络中的任意设备进行监控和管理。 6.2 802Module模块的组网模块有3个光接口可以组建各种网络，具体应用如下： 802Module模块的MAC下行口 模块的MAC下行口在连接交换芯片后出1个或多个RJ45口。RJ45电缆接口可以直接连接计算机等终端设备，也可再次连接交换机级联口。连接示意图如下： 802Module模块MAC接口连接示意图P6-4 1＋1光口保护 两个模块可以组建点对点冗余光纤链路。连接时两个模块的环路光口A/B可任意连接，如下示意图。在这种组网模式下两个模块需要设为一主站、一从站，在光纤连接正确后环路告警指示OP-LOOP应熄灭。这种组网模式时支路光口可不作处理但不能自环。模块组建1＋1光口保护网示意图P6-5 链形网 2个或2个以上模块可以组建链形光纤链路，示意图如下。在这种组网模式模块只能设一个主站，其余为从站。在光纤连接正确后环路告警指示OP-LOOP会不熄灭，但不影响数据传送。这种组网模式下支路光口和无用环路光口可不作处理但不能自环。链形网最多容纳站点数为128个，各站须设置不重复的地址。模块组建链形网示意图P6-6 环形网 环形网是模块的典型组网方式。2个或2个以上模块可以组建环形光纤链路，示意图如下。在这种组网模式模块只能设一个主站，其余为从站。在光纤连接正确后环路告警指示OP-LOOP会熄灭。这种组网模式下支路光口可不作处理但不能自环。链形网最多容纳站点数为128个，各站须设置不重复的地址。模块组建环形网示意图P6-7 T 形网 T形网是由环形网和链形网组合而成，中间可由支路光口互联。它们的设置等同于分立的环形和链形网，要注意在每一个网络中都要设置一个主站，而且网络中站点地址不能重复。T形网最多容纳站点数为128个。 模块组建T形网示意图P6-8 复合网 复合形网是由多个环形网和多个链形网组合而成，各个网络中间可由支路光口互联。它们的设置等同于多个分立的环形和链形网，并且要注意在每一个网络中都要设置一个主站，而且网络中站点地址不能重复。复合形网最多容纳站点数也是128个。 模块组建复合形网示意图P6-9