基于USB接口的网络切换器系统设计

摘要：通过采用PDIUSBD12和AT89S52微处理器等器件设计网络切换系统。阐述了系统的总体设计思想及其层次结构，并给出了系统结构图。该系统采用USB总线接口形成网络切换系统，为工作人员能够同时安全的使用内部局域网与Internet网提供新的思路。
关键词：USB；AT89S52微处理器；网络切换

    随着网上申报、网上审批乃至网上办公等电子政务建设的不断深入，与Internet之间的联系更加密切，但由于Internet的国际性、开放性和自由性，内部网络也因此面临更加严重的安全威胁，对Internet的依赖与网络安全之间的矛盾日益尖锐。保证工作人员对内部局域网(“内网”)和Internet (“外网”)的同时使用是当前我们必须解决的问题。在符合国家有关保密和安全规定的前提下，针对不同的网络布线系统采取不同的网络安全解决方案，从而使工作人员能够同时安全的使用。

1 网络切换的问题及特点
    本文设计的网络切换器是一种网络隔离切换设备，最多用于四个网络之间的切换，可以放置在办公桌上或电脑桌上使用。既保持了手动按键切换的功能又可以采用切换软件进行切换。它有四个RJ45网络接口同时与四个不同的网络连接，四个薄膜轻触按键，用于手动网络切换，用户可以在不安装驱动程序和切换软件的情况下通过按键轻松实现四个网络之间的切换；切换器设计了USB接口，可以通过该接口实现和计算机之间的通信，安装驱动程序和切换软件后用户可以通过切换软件对四个网络进行任意切换，网络切换后相应网络的IP设置可以立即生效，免去了用户再设IP配置的烦恼。由于采用的是物理上的切换，所以，该切换器的网络安全性极高。在任意时刻用户只能接通一个网络，而其它三个网络是断歼的，通过物理切换保持用户与4个网络之间的联系。用户可以安全快速地四个网络问任意切换，免去频繁插拔网线所带来的设备损伤。同时，网络信号之间无干扰，因为在设计PCB电路板时着重注意了信号之间的串绕问题。设备具有较强的抗干扰及环境适应能力。网络切换无需重新启动机器，操作简单快捷。

2 USB协议介绍
    USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是一种标准的连接接口，在把外围设备与计算机连接时，允许不必重新配置规划系统，也不必打开机壳，另外调整接口卡的指拨开关。而连接上计算机时，计算机会自动识别这些接口设备，并且配置适当的驱动程序，无需用户再另外重新配置。通过USB接口，实现了热插拔的特性，用户即可迅速方便地连接PC主机的各种接口设备。另外，在连接PC机时，对所有USB接口设备，提供了一种“全球通用”的标准连接器(A型与B型)。这些连接取代了所有的各种传统外围端口，如串行端口、并行端口以及游戏接口等。此外，USB接口还允许将多达127个外围设备同时串接到PC的一个外部的USB接口上。这样，就不必像传统的串口或并口那样，一个端口仅能接一个外围设备闭。

3 系统设计
    本沦文中的网络切换器是在考察国内外多种型号网络切换器的基础上，顺应网络切换器新的发展方向，并结合国内实际需求而开发的。其工作原理是不同的网络(包括不同的ISP服务商提供的网络、内部局域网)通过与网络切换器连接，再接入计算机，实现物理隔离。它通过手动按键控制AT89S52单片机产生的控制信号、控制继电器组实现不同网络线路之问的物理切换，也可以通过计算机内安装的切换软件通过USB总线下发切换指令，单片机接收到从USB总线上传来的数据后解析应用层的控制协议，根据控制指令控制继电器组，实现多条网络线路之间物理硬件切换。这种通过计算机软件实现线路切换的速度很快，一般情况下在1 s内即可完成切换。网络切换器硬件结构框图如下图1所示。

4 USB接口电路设计
4．1 PDIUSBD12芯片简介
   PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件。通常用于基于微控制器的系统，并通过高速通用并行接口与微控制器进行通信，并且支持本地的DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是开发低成本且高效的USB外围设备解决方案的一种最快途径。PDIU SBD12完全符合USBI．1规范，也能适应大多数设备类规范的设计：如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此，PDI USBD12非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器和数据码相机等。现在用SCSI实现的很多设备如果用USB来实现可以直接降低成本。
    PDIUSBD12所具有的低挂起功耗连同LazyClock输出，可以满足使用ACPI、OnNOW和USB电源管理的要求，其低的操作功耗可以应用于使用总线供电的外设。此外，PDIUSBD12还集成了许多特性，包括SoftConnetTM、GoodLinkTM、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统节约了大量的成本，同时使USB功能在外设上的应用变得容易。
4．2 PDIUSBD12接口芯片与单片机AT89S52的连接
    PDIUSBD12与单片机AT89S52的连接如图2所示。AT89S52的8位数据通过并行方式发送到PDIUSBD12的8位数据线上，P2．3连接到CS_N，作为片选信号，中断请求信号由INT_N送出到INT1／P3．3引脚，由单片机AT89S52响应中断请求。其它引脚按照一般设置。

5 结束语
    随着网上申报、网上审批乃至网上办公等电子政务建设的不断深入，以USB接口形成的网络切换装置为工作提供极大的方便，同时USB接口凭借其成本低，使用方便，支持即插即用，易于扩展，传输速率高等优点，势必进一步推动该装置在内部局域网与Internet网切换装置应用的发展。