本實(shí)用新型涉及控制器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于硬件協(xié)議棧的雙網(wǎng)冗余以太網(wǎng)控制器。

背景技術(shù)：

隨著科技的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?，網(wǎng)絡(luò)用戶以呈指數(shù)飛速增長。以太網(wǎng)歷經(jīng)二十載的發(fā)展與完善已經(jīng)成為了網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其極高的適應(yīng)能力和低廉的成本被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在全球的市場占有率達(dá)到了九成以上，并且逐漸開始在高新技術(shù)行業(yè)中得到應(yīng)用?，F(xiàn)今以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，無論網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用何種方式，以太網(wǎng)都是應(yīng)用最為廣泛的傳輸技術(shù)。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，Internet的出現(xiàn)以及人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛粩嗵岣撸瑐鹘y(tǒng)的以太網(wǎng)已經(jīng)不再能滿足人們的需求。因此，在以太網(wǎng)發(fā)展的過程中出現(xiàn)了百兆、千兆甚至萬兆以太網(wǎng)，極大的提高了其網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。而且，以太網(wǎng)所具有的良好的標(biāo)準(zhǔn)以及極強(qiáng)的固定性以及相對低廉的成本使開發(fā)者們不僅僅將它局限于局域網(wǎng)技術(shù)，更向更好的廣域網(wǎng)甚至是城域網(wǎng)發(fā)展。而且以太網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的第一選擇工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器是在控制和現(xiàn)場設(shè)備之間的連接模塊，沒有它，整個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)就會瘓，它就是設(shè)備的核心，控制著設(shè)備所有動作，所以它有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

雖然以太網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今生活中不可缺少的一種高端技術(shù)的存在，在商業(yè)機(jī)構(gòu)、金融市場等特殊的應(yīng)用場合,對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高,為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗毀性,需采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而且，以太網(wǎng)由于自身設(shè)計的缺陷具有其非確定性，其采用CSMA/CD調(diào)度算法，在任一給定時間，只能有一臺設(shè)備傳輸信號，因此能夠共存于一個網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備的數(shù)量實(shí)際也存在限制。這個弊端非常明顯，當(dāng)有很多設(shè)備連接到同一共享網(wǎng)段上時，它們之間相互爭用介質(zhì)的現(xiàn)象將十分激烈，所以在有需要傳輸數(shù)據(jù)時，設(shè)備等待的時間非常長，也就是說會浪費(fèi)很長時間。同時，在工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蠓浅８?，而以太網(wǎng)其自身的缺陷使得它很難在不進(jìn)行改進(jìn)的情況下被運(yùn)用到總線控制中。因此，如何解決以太網(wǎng)自身缺陷，提高其數(shù)據(jù)傳輸可靠性成為了一個研究熱點(diǎn)，而冗余以太網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式成為一個重要的研究方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種基于硬件協(xié)議棧的雙網(wǎng)冗余以太網(wǎng)控制器，當(dāng)物理層設(shè)備有故障發(fā)生時，可以進(jìn)行實(shí)時切換，而且可以當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包過程中發(fā)生錯誤時，也可以保證網(wǎng)絡(luò)通道的實(shí)時切換。

本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

基于硬件協(xié)議棧的雙網(wǎng)冗余以太網(wǎng)控制器，由主控模塊、復(fù)位電路、時鐘電路、串行接口模塊、電源模塊、以太網(wǎng)單元模塊構(gòu)成；所述主控模塊通過串行接口模塊連接復(fù)位電路、時鐘電路、電源模塊、以太網(wǎng)單元模塊；所述主控模塊通過FSMC并行總線接口和W5300的并行接口的連接。

所述主控模塊采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片。

所述以太網(wǎng)單元模塊采用W5300以太網(wǎng)芯片。

所述電源模塊采用外置5V的電源，采用LM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片對5V電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為主控模塊提供3.3V工作電壓。

所述串行接口模塊采用電平轉(zhuǎn)換芯片ST3232ECTR來實(shí)現(xiàn)RS232接口電平的轉(zhuǎn)換。

本實(shí)用新型的有益效果：本實(shí)用新型的基于硬件協(xié)議棧的雙網(wǎng)冗余以太網(wǎng)控制器，當(dāng)物理層設(shè)備有故障發(fā)生時，可以進(jìn)行實(shí)時切換，而且可以當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包過程中發(fā)生錯誤時，也可以保證網(wǎng)絡(luò)通道的實(shí)時切換。其次，采用的STM32芯片是一款基于ARM的32位處理器芯片，采用了Cortex-M3內(nèi)核技術(shù)，在結(jié)構(gòu)和性能上有很大的改善和提升，比相同價格的單片機(jī)性能高出不少，在用戶開發(fā)過程中充分體現(xiàn)性價比高的特點(diǎn)。其次，STM32系列芯片因精簡的 Thumb-2指令而效率更加提高，性能也更加強(qiáng)大。另外，STM32系列微控制器擁有豐富的管腳及內(nèi)置功能，可以給用戶開發(fā)和設(shè)計過程中提供大量的選擇方案，STM32可以用在智能家居、醫(yī)療器械、消費(fèi)電子及工業(yè)控制等多個領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型內(nèi)部STM32F103ZET6單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本實(shí)用新型內(nèi)部W5300以太網(wǎng)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本實(shí)用新型內(nèi)部電源模塊電路圖；

圖5是本實(shí)用新型內(nèi)部串行接口模塊電路圖；

圖6本實(shí)用新型的時鐘電路圖；

圖7本實(shí)用新型的復(fù)位電路圖；

圖8是本實(shí)用新型內(nèi)部主控模塊電路圖；

圖9是以太網(wǎng)單元電路圖；

圖10是以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)電路；

圖11是W5300接入以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如圖所示，基于硬件協(xié)議棧的雙網(wǎng)冗余以太網(wǎng)控制器，由主控模塊、復(fù)位電路、時鐘電路、串行接口模塊、電源模塊、以太網(wǎng)單元模塊構(gòu)成；所述主控模塊通過串行接口模塊連接復(fù)位電路、時鐘電路、電源模塊、以太網(wǎng)單元模塊；所述主控模塊通過FSMC并行總線接口和W5300的并行接口的連接。

所述主控模塊采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片。

所述以太網(wǎng)單元模塊采用W5300以太網(wǎng)芯片。

所述電源模塊采用外置5V的電源，采用LM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片對5V電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為主控模塊提供3.3V工作電壓。

所述串行接口模塊采用電平轉(zhuǎn)換芯片ST3232ECTR來實(shí)現(xiàn)RS232接口電平的轉(zhuǎn)換。

實(shí)施例2

進(jìn)一步地，所述STM32F103ZET6與兩片W5300并行連接，控制器通過單片機(jī)外部總線FSMC與W5300相連，F(xiàn)SMC的其他控制信號與W5300的讀寫控制信號相連，主控芯片通過軟件控制，對其link引腳的實(shí)時檢測，以實(shí)現(xiàn)雙冗余控制器的設(shè)計。

實(shí)施例3

進(jìn)一步地，所述LM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片管腳排列與LM117的工作管腳排列相同，工作時的器壓差為1.2V,而且在工作時如果當(dāng)通過它的負(fù)載電流為800mA時，輸出的電壓即為1.2V。LM117有些版本可以進(jìn)行調(diào)壓，可以通過2個外部電阻實(shí)現(xiàn)1.25-13.8V的輸出電壓。而且，LM1117有5個固定的電壓輸出型號，其中包括本設(shè)計應(yīng)用的3.3V。

LM1117可以提供熱保護(hù)和電流限制。該電路包括一個穩(wěn)壓調(diào)節(jié)以保證輸出電壓精度在1%以下的帶隙基準(zhǔn)電壓源，由于輸出端的穩(wěn)定性不易保證，所以常使用一個10uF的電容來解決此問題。

本實(shí)用新型內(nèi)部電源模塊電路如圖4所示。

實(shí)施例4

進(jìn)一步地，所述串行接口模塊采用電平轉(zhuǎn)換芯片ST3232ECTR來實(shí)現(xiàn)RS232接口電平的轉(zhuǎn)換，RS232電平轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

實(shí)施例5

進(jìn)一步地，在STM32F103ZET6中，有五個時鐘源，為、HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。①HSI屬于高速內(nèi)部時鐘，其中有RC振蕩器，他的頻率為8MHz。②HSE可以接外部時鐘源，也可以接石英諧振器,在應(yīng)用時，它的頻率范圍為4-6MHz。它屬于高速外部時鐘。③LSI的應(yīng)用頻率為40kHz，而它是一種低速內(nèi)部時鐘。④相對應(yīng)HSI高速時鐘來說，LSE則是低速外部時鐘，其應(yīng)接頻率為32.768kHz的石英晶體。本實(shí)用新型的時鐘電路如圖6所示。

復(fù)位電路就是當(dāng)電鍵閉合時低電平導(dǎo)通，即復(fù)位，復(fù)位電路如圖7所示。

實(shí)施例6

如圖8所示，主控模塊STM32F103ZET帶有多個USART的串行口，可以同時實(shí)現(xiàn)多個設(shè)備接口的擴(kuò)展，主控模塊是通過FSMC并行總線接口和W5300的并行接口的連接進(jìn)行通信。

主控模塊STM32F103ZET的外圍電路主要包括復(fù)位電路：支持上電和手動復(fù)位；時鐘電路：為芯片提供外部高速和低速的時鐘；仿真調(diào)試電路:通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)20針JTAG仿真接口，從而達(dá)到方便調(diào)試的目的；同時，主控單元還擴(kuò)展有很多個接口電路。

實(shí)施例7

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型中應(yīng)用兩片W5300芯片，兩片芯片的應(yīng)用時刻相互代替的，所以他們的設(shè)計是相同的，以太網(wǎng)驅(qū)動電路如圖9、圖10所示，其中，圖9為以太網(wǎng)單元電路，圖10為以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)電路。

W5300接入以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口電路如11所示，11FB-05NL是一以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)變壓器。當(dāng)PHY芯片與RJ45直接相連即可正常工作，但他們之間的傳輸距離會有一定的限制。由于網(wǎng)口PHY芯片點(diǎn)評在不同的設(shè)備中是不同的，所以這會對設(shè)備的穩(wěn)定造成很大的影響。網(wǎng)絡(luò)變壓器功能很強(qiáng)大，對信號電平耦合與隔離外部干擾起到一定的影響，還可以實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，這樣就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，增加傳輸距離，而且由于其會使芯片與外部隔離開，所以抗干擾能力獲得很大提高。

結(jié)合以太網(wǎng)驅(qū)動電路可知，W5300通過自身芯片接口與11FB-05NL的差分信號對接口引腳相連。為了更好地實(shí)現(xiàn)其阻抗的匹配效果，設(shè)計電路時，要在這些引腳上接一個51Ω的電阻和一個0.1uF的電容到地，同時，匹配的電阻與電容要盡量的貼近W5300，并且兩路差分信號的走線要盡量保持等間距設(shè)計和等長長度設(shè)計，這樣會使數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到良好的效果。