一种基于以太网BYPASS的以太网端口快速通讯的工业交换机

技术领域

本发明涉及交换机及其控制方法技术领域，具体涉及一种基于以太网BYPASS的以太网端口快速通讯的工业交换机。

背景技术

工业交换机是一种专门用于工业环境的网络设备，用于在工业控制系统中连接和管理各种设备，如传感器、执行器、PLC等，现有技术中交换机具有BYPASS(旁路导通)功能，当某一交换机断电时BYPASS功能启动，前后交换机直连，以保证网络的连通性和稳定性。

专利公开号为：CN116095026A的专利文件公开了一种交换机的BYPASS装置、方法及交换机，包括状态获取模块，控制模块，开关模块，BYPASS继电器，通过开关模块驱动BYPASS继电器切换状态使第一网口和第二网口连通，使整个网络链路可以继续工作，降低了产品的成本。

现有交换机在设备掉电或上电过程中，继电器发生切换，线路通道变更，但此时网路端口并无LINK，导致存在一定时间(1～2min)的数据断流无法接通，在这段时间，上层设备无法接收到有效的数据从而会造成无法对外围设备进行有效的控制及监控，从而可能出现很严重的后果。

发明内容

为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于以太网BYPASS的以太网端口快速通讯的工业交换机，其解决了当前的交换机在遇到设备掉电或上电时，数据断流时间较长的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于以太网BYPASS的以太网端口快速通讯的工业交换机，其根据数据包的目标地址将其转发到相应的设备，所述交换机包括：CPU、SWITCH芯片、PHY芯片、网络变压器、继电器以及M12连接器，所述CPU通过PCIE总线与所述SWITCH芯片之间进行相互通信，所述SWITCH芯片通过QSGMII信号与所述PHY芯片之间进行相互通信，所述PHY芯片输出MDI信号至M12连接器，在此过程中，MDI信号经过所述网络变压器和所述继电器，用于增强信号的抗干扰能力，并实现所述交换机的BYPASS功能。

进一步在于，所述继电器的供电电路通过三极管对其进行开关控制，所述交换机的软件程序通过所述CPU的GPIO管脚的高低电平配置实现对所述三极管进行导通与截止操作。

进一步在于，所述CPU的GPIO管脚到所述三极管的基极PIN脚之间连线的net名称定义为BYPASS信号，根据所述设备所处状态的不同，所述交换机实现不同的工作逻辑。

进一步在于，当BYPASS信号电平为高时，所述三极管导通，此时所述继电器的供电电路形成通路，使所述继电器的常开、常闭开关切换；

当BYPASS信号电平为低时，所述三极管截至，此时所述继电器供电电路形成开路，所述继电器不动作维持常闭状态，此时网络信号通路路径不动作。

进一步在于，所述设备包括八组对外显示面板端口，对外显示面板端口包括0和2两组，其中，当所述设备在不通电的情况时，面板端口0的G[0][0]+与面板端口2的G[0][2]+相连，面板端口0的G[0][0]-与面板端口2的G[0][2]-相连，面板端口0的G[0][0]_S+和面板端口2的G[0][2]_S+相连，面板端口0的G[0][0]_S-和面板端口2的G[0][2]_S-相连，其中G[0][0]+与G[0][0]-是一对差分线，G[0][2]+与G[0][2]-是另一对差分线。

进一步在于，所述PHY芯片包括0和2两个物理端口，当所述设备的面板端口0的G[0][0]+与面板端口2的G[0][2]+相连，面板端口0的G[0][0]-与面板端口2的G[0][2]-相连时，所述PHY芯片的物理端口0和物理端口2处于自环状态。

进一步在于，所述交换机按照下述控制方法运行，包括以下步骤：

当所述设备上电工作时，所述交换机的软件软件将BYPASS信号拉高，数据通过所述设备面板端口0进入所述PHY芯片解码，然后传递至所述SWITCH芯片进行数据处理转发交换，再经过所述PHY芯片编码到所述设备面板端口2发出，若此时所述设备突然断电或程序卡死，BYPASS信号保持低电平使所述继电器不动作，保持常闭状态，此时所述设备面板端口0与面板端口2是直通状态，数据流经面板端口0直接到达面板端口2，此时的延时时间为所述继电器的切换时间，只有少量数据丢失；

在所述设备再次上电重新运行后，此时BYPASS信号一直维持低电平，所述继电器保持常闭状态，所述PHY芯片的物理端口0和物理端口2处于自环状态，在程序检测到所述PHY芯片的物理端口端口0和物理端口2自环LINK后，所述交换机的软件程序对BYPASS信号进行拉高处理，此时所述继电器从常闭状态转换至常开状态，使所述PHY芯片的物理端口0口切换到所述设备的面板端口0，所述PHY芯片的物理端口2口切换到所述设备的面板端口2，此时数据流会通过所述PHY芯片解码并传递到所述SWITCH芯片进行数据处理转发交换，后经过所述PHY芯片编码到面板端口2发出，实现数据传输路线短时间切换。

本发明的有益效果：

相较于传统方法，本技术方案通过设计由CPU、SWITCH芯片、PHY芯片、网络变压器、继电器及M12所组成的变压器系统，在设备掉电或上电过程中，通过对继电器管脚信号的连接方式进行改进，缩短通路切换时间，达到1～2s的通路切换，使数据达到少量丢包的目的，保证数据安全，对外围设备进行有效的控制及监控。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明中设备掉电时继电器的电路图；

图2是本发明中设备上电时继电器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种基于以太网BYPASS的以太网端口快速通讯的工业交换机，其根据数据包的目标地址将其转发到相应的设备，交换机包括：CPU、SWITCH芯片、PHY芯片、网络变压器、继电器以及M12连接器，其中，CPU负责执行交换机软件程序的指令，网络变压器用于隔离和保护计算机网络设备，以防止电气干扰和电击，M12连接器是一种圆形连接器标准，常用于工业和车载网络设备中，具有防水和防尘的特性。

本方案中，继电器的供电电路通过三极管对其进行开关控制，交换机的软件程序通过CPU的GPIO管脚的高低电平配置实现对三极管进行导通与截止操作，CPU的GPIO管脚到三极管的基极PIN脚之间连线的net名称定义为BYPASS信号，根据设备所处状态的不同，交换机实现不同的工作逻辑。

CPU通过PCIE总线与SWITCH芯片之间进行相互通信，SWITCH芯片通过QSGMII信号与PHY芯片之间进行相互通信，PHY芯片输出MDI信号至M12连接器，在此过程中，MDI信号经过网络变压器和继电器，网络变压器用于增强信号的抗干扰能力、输出功率，以及匹配电平，继电器用于实现交换机的BYPASS功能，当交换机发生故障或需要升级维护时，Bypass功能可以将数据流绕过交换机，直接通过绕行路径传输数据，以保证网络的连通性和稳定性，同时，Bypass模块还可以在交换机发生故障时，自动将故障交换机与正常工作的交换机隔离，以避免故障影响整个网络的正常运行。

如图1、图2所示，设备包括八组对外显示面板端口，对外显示面板端口包括0和2两组，其中，当设备在不通电的情况时，面板端口0的G[0][0]+与面板端口2的G[0][2]+相连，面板端口0的G[0][0]-与面板端口2的G[0][2]-相连，面板端口0的G[0][0]_S+和面板端口2的G[0][2]_S+相连，面板端口0的G[0][0]_S-和面板端口2的G[0][2]_S-相连，其中G[0][0]+与G[0][0]-是一对差分线，G[0][2]+与G[0][2]-是另一对差分线，而PHY芯片包括0和2两个物理端口，当设备的面板端口0的G[0][0]+与面板端口2的G[0][2]+相连，面板端口0的G[0][0]-与面板端口2的G[0][2]-相连时，PHY芯片的物理端口0和物理端口2处于自环状态。

当BYPASS信号电平为高时，三极管导通，此时继电器的供电电路形成通路，使继电器的常开、常闭开关切换；当BYPASS信号电平为低时，三极管截至，此时继电器供电电路形成开路，继电器不动作维持常闭状态，此时网络信号通路路径不动作。

当设备上电后，通过软件将BYPASS信号输出高电平，让三极管导通，这时继电器吸合从而切换内部开关，此时G[0][0]+与G[0][0]_S+相连，G[0][0]-与G[0][0]_S-相连(G[0][0]+/-与网络变压器相连接，G[0][0]_S+/-与端口M12连接器相连接)，G[0][2]+与G[0][2]_S+相连，G[0][2]-与G[0][2]_S-相连，此为差分通路切换路径。

本方案中的交换机按照下述控制方法运行，其BYPASS功能的设计逻辑为：

当设备上电工作时，交换机的软件软件将BYPASS信号拉高，数据通过设备面板端口0进入PHY芯片解码，然后传递至SWITCH芯片进行数据处理转发交换，再经过PHY芯片编码到设备面板端口2发出，若此时设备突然断电或程序卡死，BYPASS信号保持低电平使继电器不动作，保持常闭状态，此时设备面板端口0与面板端口2是直通状态，数据流经面板端口0直接到达面板端口2，此时的延时时间为继电器的切换时间，只有少量数据丢失；

在设备再次上电或“看门狗复位程序”重新运行后，“看门狗复位程序”用于监控系统的运行状态，并在系统出现故障或停止响应时自动进行复位操作，看门狗复位程序通常由硬件看门狗和软件看门狗两部分组成；

此时BYPASS信号一直维持低电平，继电器保持常闭状态，PHY芯片的物理端口0和物理端口2处于自环状态，在程序检测到PHY芯片的物理端口端口0和物理端口2自环LINK后，交换机的软件程序对BYPASS信号进行拉高处理，此时继电器从常闭状态转换至常开状态，使PHY芯片的物理端口0口切换到设备的面板端口0，PHY芯片的物理端口2口切换到设备的面板端口2，此时数据流会通过PHY芯片解码并传递到SWITCH芯片进行数据处理转发交换，后经过PHY芯片编码到面板端口2发出，实现数据传输路线短时间切换。

本方案通过设计由CPU、SWITCH芯片、PHY芯片、网络变压器、继电器及M12所组成的变压器系统，在设备掉电或上电过程中，通过对继电器管脚信号的连接方式进行改进，缩短通路切换时间，达到1～2s的通路切换，使数据达到少量丢包的目的，保证数据安全，对外围设备进行有效的控制及监控。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。