嵌入式EPA安全交换机的研制

底层驱动模块

EPA交换机底层驱动模块主要分为三个子模块：BSP模块、SSP模块和定时器驱动模块。

BSP模块实现了对嵌入式实时操作系统的支持，使其能够更好地运行于EPA交换机硬件之上。它具体负责上电时的硬件初始化、启动嵌入式操作系统和应用程序模块、提供底层硬件驱动，为上层软件提供访问底层硬件的手段。

SSP模块主要实现了CPU与交换芯片的软件接口，实现报文的发送与接收功能，对上层屏蔽了底层硬件具体的实现细节，为上层提供了应用接口。

定时器驱动为实现二层应用协议帧的发送与接收，设备声明、设备鉴别等报文的定时重发以及EPA报文的调度和时间同步等系统所需要的定时提供了准确的时间。

TCP(UDP)/IP协议模块和EPA协议栈模块

EPA标准中规定EPA报文是封装在UDP/IP协议之上的，而且具有自己独立的帧协议类型号0x88BC，因此还需要设计与实现适用于EPA交换机的TCP(UDP)/IP协议栈模块；设计EPA协议栈模块的主要功能是完成过程监控层设备对EPA交换机的组态监控功能。

EPA网络安全与功能安全模块

安全机制模块的主要作用是提供相关的安全机制，只有通过了安全机制的报文才能向上层传送进行进一步的报文处理。否则将该报文丢弃。

在整个软件系统中，各个模块是通过嵌入式实时操作系统μC/OS-II提供的消息机制完成任务切换。

EPA安全交换机的测试

EPA交换机的安全转发能力是其整体功能的重要体现，其性能好坏直接影响网络的规模、稳定性以及扩展性。本文中测试环境由EPA安全交换机连接若干现场设备和测试机组成。测试系统如图5所示。


图5 EPA交换机测试系统

测试的性能指标包括吞吐量、丢包率、延迟测试。吞吐量测试用Sniffer按指定速率将不同长度包发送给EPA交换机，在发送端和接收端用 Ethereal统计接收到的包。如果发送和接收数据包数量相等，增加发包速率，如果不等则减少发包速率，然后测试重新开始。每次测试时长约为120s。在本文中，只是在最大传输速率下测试EPA路由设备的丢包率，即在最大传输速率情况下，按照指定字节数，用Sniffer持续发送指定长度字节数的数据报文，同时在发送端用Ethereal记录发送数据包数量，在接收端统计接收到端口收到的包数量。EPA交换机延迟测试是在指定的帧大小情况下，用 Sniffer以被测设备的吞吐率连续发送一组帧，Ethereal会纪录发送报文的时间以及数据报文通过EPA交换机并且转发出去的时间，被测设备的延迟就是这两个时间之差。测试结果表明，EPA安全交换机能够有效实现转发功能，并具有较低的转发延迟，同时转发丢包率满足EPA协议的要求。

结语

作为现场设备层和过程控制监控层的连接设备，嵌入式EPA安全交换机扮演着重要角色。EPA安全交换机通过EPA协议以及软件功能模块的细化确保了数据通信的可靠传输，同时，它对网络的级联和现场低功耗设备供电也起到重要作用。

参考文献

1. China State Bureau of Quality and Technical Supervision, China State Standard “EPA System Architecture and communication Specification for use in industrial control and measurement systems”, GB/T 20171-2006, 2006, [S]. [国家质量技术监督局，中国人民共和国国家标准“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范”，GB/T 20171-2006, 2006]

2. 谢淑如, 郑光钦, 杨渝生著. Protel PCB 99SE电路板设计. 清华大学出版社2001年7月