88E6095在电力以太网交换机的应用

【摘要】本文介绍了88E6095芯片在电力以太网交换机的设计应用，介绍了电力以太网交换机的特点，详细阐述了一款电力以太网交换机的软硬件设计。本设计的突出特点是安全可靠，有诊断跟自恢复的能力，满足电力系统的通信要求。

【关键词】88E6095；电力以太网交换机；电力系统

一、电力以太网交换机概述

电力专用工业以太网交换机是面向智能变电站应用而开发的高性能、高可靠和高安全的工业级网络交换设备。它充分考虑了变电站的严酷工作环境和网络通信需求，采用了电信级以太网、硬件时间戳、QoS、智能内容识别等先进技术，使得智能变电站通信系统更加可靠；能有效地抵御DOS攻击，保证GOOSE报文优先转发，实现网络时间精确同步。

二、88E6095芯片介绍

88E6095是Marvell公司设计的一款网络交换芯片。该芯片集成了MAC和PHY，有11个端口，可以提供三个千兆的以太网网口和8个百兆的以太网网口，时钟源频率25MHz。其中P0～P7,8个端口支持10BAST-T/100 BAST-T；P8、P9、P10端口都支持三种接口：SEDES接收器、外接10/100/1000M Copper PHYS、1000BASE-X的光纤端口，能够直接连接到光放大器。

另外，P9还支持MII-MAC/PHY,P10还支持(G)MII-MAC/PHY。

该芯片支持VLAN、STP生成树协议和QoS。

三、设计思路

1.采用4片88E6095F芯片进行互连，完成交换功能。

2.每个芯片上的3个Serdes千兆端口都是两两互联的。

3.为了避免成环，默认开启88E6095的24P模式（级联模式）。

4.交换机由AMR9 CPU进行管理。

四、具体实现

1.电源采用12V稳压电源供电，经过LM1085-5.0电源转换芯片输出5V的稳压电源，再经过3块电源转换芯片FAN2106分别输出3.3V、2.5V和1.2V的电压用来给交换芯片88E6095和其他部件供电。

2.复位可以通过按键复位，也可以通过上电复位。复位信号通过74LVC00芯片给出至4片88E6095交换芯片。

3.晶振提供25M的时钟输出，通过时钟驱动芯片CY23EP05将时钟分成4份分别为4片88E6095提供所需时钟。

4.每片88E6095可以提供8个百兆口和3个千兆口，分别对应芯片的P0-P10。每片88E 6095的P0-P7口分别对应RJ45中的1-8口，P8、P9千兆口用于芯片之间的互联。为了避免成环，需要将88E6095设置成24P模式（级联模式），即将芯片的87脚电平拉高；同时，P8_MODE要配置成跨芯片Serdes模式；P9_MODE[2:0]需要配置成100的跨芯片级联模式；P10_MODE[2:0]需要配置成111的Disable模式。

5.此交换机四个芯片依次编号为A，B，C，D。每个芯片上的3个Serdes千兆端口都是两两互联的，最终形成一个Mesh结构。这么做的目的是任意两个芯片上的端口在数据通道上只经过一级Serdes，降低转发时延。为了避免成环，将Serdes端口的Port-based VLAN设定为0xff，即三个serdes端口间互不收发报文。三个Serdes都设置成DSA模式，到CPU路径最短的端口设置成CPU port，控制管理报文经过这些端口最终传递给ARM9 CPU。ARM9 CPU(AT91RM9200)作为控制管理CPU，内核为ARM920T，主频为180MHz，配置了64M字节的SDRAM和16M字节的Flash存储器。

五、软件程序

程序烧写在16M字节的Flash中，Flash芯片被分为5个区，如表1所示。

六、逻辑框图

七、软件设计

AMR9 CPU(AT91RM9200)有免费的开发工具，可以实现C/C++语言的编程，使代码更具有可读性。其软件设计主要实现以下功能：

(1)初始化

主要完成对AT91RM9200各寄存器的初始值设置和对交换模块的各个寄存器的初始值设置。AT91RM9200在工作之前，必须进行必要的初始化，主要包括时钟电路、复位发生器、通用寄存器等。

刚上电的时候，AT91RM9200的I/O口对交换模块发送一个复位信号，使得交换模块各端口为输入，然后读取各端口的状态，启动交换模块开始工作；再对88E6095端口寄存器进行初始化，使它们能正常工作。

(2)快速生成树算法

本设计的交换机是光纤环自愈的设计思想，在初始化以后，进入主程序，执行生成树算法，去除环冗余回路，确定拓扑结构。

(3)网络协议

要实现电力以太网交换机跟以太网其他设备的通信，只需要实现TCP/IP协议就可以了。因为ARM内部资源不足，可以根据系统的需要配置特定的TCP/IP协议，实现相关的功能即可，如ARP协议、IP协议、UDP协议、TCP协议、HTTP协议等。

(4)网络管理及功能设置

通过AT91RM9200的RS232接口传输和接受网络数据，在实现上述网络协议的基础上，可以直接通过RS232的调试口，实现对交换机的参数设置和实时状态监视。

(5)故障诊断和自愈实现

当电源和交换机的部件出现故障时，有自诊断和报警功能，有硬件的节点输出告警信号。当程序跑飞或者陷入死循环，看门狗电路能够重新启动交换机，实现自愈功能。

八、结语

此款交换机采用了88E6095跟AT91RM9200相结合的设计。虽然稍微提高了成本，但是带来了性能的大幅度提高。它提供24个100BASE-T RJ45接口，4个100BASE-FX ST光口，提供一个RS232管理接口，提供两路220V交/直流电源冗余输入，有很好的安全可靠性，抗干扰能力强。用户可以通过网管软件对交换机进行参数配置，增加了灵活性；还可以通过级联多片88E6095，扩展以太网的接口，配置成自己需要的以太网交换机。这样的交换机能够满足电力系统内部的通信要求。

参考文献

[1]88E6092/6095/6095F.Marvell datesheet.2005.

[2]电力专用以太网交换机技术规范.

[3]西门子工业网络交换机应用指南.

[4]ARM9嵌入式系统设计与应用[M].清华大学出版社,2011.

作者简介：

马晓军（1972—），男，南京南瑞集团公司高级工程师，多年从事电力系统自动化装置的研究工作。

莫非（1973—），男，南京南瑞集团公司工程师。