以太網(wǎng)電源技術標準IEEE 802.3af對路由器、交換機和集線器等網(wǎng)絡設備通過以太網(wǎng)電纜向IP電話、安全系統(tǒng)以及WLAN接入點等設備提供電源的方式進行了規(guī)定。
德州儀器公司先后推出了電源管理芯片TPS2383和TPS2384，它們兼容802.3af標準，可以通過一條標準的以太網(wǎng)線纜提供直流電源并傳輸數(shù)據(jù)，可以廣泛應用于以太網(wǎng)交換機、路由器、集線器等中跨設備，也可以和上述設備集成在一起更加方便應用。本設計豐要基于TPSZ384設計出符合正IEE802.3af標準的供電設備。
IEEE802.3af標準
IEEE802.3af標準定義了一種允許通過以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時輸送48V直流電源的方法，它將以太網(wǎng)供電(PoE)技術引入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施中，和原有的網(wǎng)絡設備相兼容，它最大能提供12.95W的功率，傳輸距離為100m。
PoE由兩部分組成：供電設備(PSE)和受電設備(PD)。PSE負責將電源注入以太網(wǎng)線纜，并實施功率的規(guī)劃和管理。IEEE802.3af標準定義了端接式和中跨式兩種類型的PSE，端接式PSE是支持PoE的以太網(wǎng)交換機、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡設備，這種設備在CAT-5線纜的信號線對或備用線對上傳輸電源；中跨式PSE是專門用于電源管理的設備，不進行數(shù)據(jù)交換，它通常和數(shù)據(jù)交換沒備放在一起協(xié)同工作，以完成以太網(wǎng)供電的功能。PSE主要完成對PD的偵測、分級、供電、斷電等功能，PD負責在網(wǎng)絡終端設備中分離出48V電源和數(shù)據(jù)信號，并將48VDC電源變壓為通常情況下終端設備工作所需的5VDC。在PSE對PD進行偵測、分級時，PD應做出相應的反應，同時，在PSE供電過程中，PD通過維持功率特征發(fā)送持續(xù)工作信號。
硬件體系結構與組成
在PoE系統(tǒng)中，PSE足主要部分。PSE除了完成上述電源管理功能外，在一些特殊應用場合，還必須能夠提供各路PD的實時工作參數(shù)，并且可以通過運行于PC 上的終端監(jiān)控程序來監(jiān)控整個系統(tǒng)。PSE系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，圖1為供電系統(tǒng)的硬件體系結構圖。
系統(tǒng)主要由電源模塊、電源轉(zhuǎn)換電路、TPS2384及其外圍電路、MSP430F148及其外圍電路、CP2102及其外圍電路組成。單片機MSP430F148通過I2C-BUS對TPS2384內(nèi)部寄存器進行讀寫，從而完成電源管理功能；通過模式設置信號線來設置1PS2384的工作模式；通過出錯中斷信號線獲得來自于TPS2384的出錯中斷信號，從而通過復位信號線對TPS2384產(chǎn)生有效的低電平復位脈沖信號。同時，MSP430F148通過內(nèi)部UART模塊，經(jīng)過CP2102橋接為USB接口后完成與PC 上終端監(jiān)控程序的通信，這樣就可以對系統(tǒng)進行直觀的監(jiān)控，并且當系統(tǒng)識別到?jīng)]有與PC建立連接時會自主運行，系統(tǒng)各部分硬件的具體功能如下：
電源部分
電源部分主要為系統(tǒng)中各個器件提供工作電壓，系統(tǒng)工作時需要+48V、+5V和+3.3V三種電壓，CP2102需要的+5V由PC的USB接口提供，其它器件由電源模塊輸出的+48V或經(jīng)過轉(zhuǎn)換后提供工作電壓。
電源模塊：采用220V轉(zhuǎn)+48V的開關電源模塊，由于一個TPS2384可以對四個以太網(wǎng)口進行供電管理，I2C-BUS上可以掛載多個TPS2384，因此，可以根據(jù)實際情況來選擇電源模塊的功率。TPS2384工作時只需要外部單獨的+48V供電，這直接由電源模塊提供；
電源轉(zhuǎn)換電路：本設計采用電源轉(zhuǎn)換芯片LM2575HVS-5.0將+48V轉(zhuǎn)換為+5V，經(jīng)過AMS1117-3.3將+5V轉(zhuǎn)換為MSP430F148工作時所需要的+3.3V。
以太網(wǎng)供電管理器部分
TPS2384是美國德州儀器公司推出符合IEEE802.3af規(guī)范的以太網(wǎng)供電管理器，TPS2384運行時內(nèi)部工作所需要的10V、6.3V和3.3V由外部的+48V產(chǎn)生。TPS2384內(nèi)部有一個15位的A／D轉(zhuǎn)換器，用來測量每個口的電阻、電壓、電流。TPS2384具有標準的I2C-BUS，MSP430F148通過I2C通信完成高級電源管理功能。TPSZ384具有三種工作模式：自動模式(AM)、半自動模式(SAM)和供電管理模式(PMM)。在AM模式下，TPS2384自動完成對標準PD的偵測、分級和供電等功能而不需要微控制器進行控制，因此，在低成本設計中可以直接設置TPS2384為AM模式，AM模式下TPS2384采用DC斷路檢測法檢測PD是否斷開；在SAM模式下，可以通過I2C總線來獲得TPS2384內(nèi)部所有讀寄存器和A／D寄存器的內(nèi)容，可以不需要微控制器的控制而自動檢測有效的PD；在PMM模式下，可以執(zhí)行優(yōu)越的AC斷路檢測，可以實時地獲得每個PD的電壓與電流，這些需要通過I2C總線對TPS2384內(nèi)部的讀寫寄存器進行控制來完成，囚此需要編寫運行于微控制器MSP430F148上的程序來完成對供電的高級管理。
TPS2384有五位有效的地址設置位，作為I2C-BUS的從設備，可以通過外部地址設置電路來設置TPS2384的地址。
TPS2384需要在每個端口的供電回路上加入檢測顯示電路。這樣TPS2384工作在三種模式下都可以直觀的顯示各個端口的工作狀態(tài)。
在PMM模式下，可以通過設置TPS2384的內(nèi)部寄存器配合外部的的AC斷路檢測電路來產(chǎn)生疊加在供電回路中的AC斷路檢測信號。
單片機控制部分
MSP430F148是TI公司的超低功耗混合信號控制器MSP430系列中的FLASH型單片機。
USB橋接器GP2102
CP2102是一款高集成度的專用通訊芯片，該芯片的功能是實現(xiàn)UART和USB格式間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，集成了一個符合USB2.0標準的全速功能控制器、EEPROM、緩沖器、和帶有調(diào)制解調(diào)器接口信號的UART數(shù)據(jù)總線，同時具有一個集成的內(nèi)部時鐘和USB收發(fā)器。通過CP2102可以很簡單的實現(xiàn)UART到USB間的橋接，從而為系統(tǒng)添加USB通信接口。
軟件設計與實現(xiàn)
PSE的軟件實現(xiàn)主要包括兩個部分：運行于MSP430F148的PSE運行控制程序和運行于PC的PSE終端監(jiān)控程序，兩者通過由CP2102構成的USB接口通信。
PSE運行控制程序
PSE運行控制程序主要完成系統(tǒng)初始化、對TPS2384進行控制、與PC通信和對數(shù)據(jù)進行封裝與解析等功能。如圖2所示，當沒有與PC連接時，將設置TPS2384工作在AM模式下，TPS2384將自主運行，此時將不能夠得到各個供電端口的具體運行數(shù)據(jù)，只能通過狀態(tài)顯示電路中的LED顯示各個端口的運行狀態(tài)；當與PC連接時，系統(tǒng)將按照用戶的要求將TPS2384設置為相應的工作模式，此時系統(tǒng)將能夠采集到各個端口的運行參數(shù)，在SAM和PMM模式下，系統(tǒng)將可以按照用戶的設置部分或者完全對各個端口的供電進行控制。監(jiān)控過程是通過對TPS2384各端口寄仔器的讀寫操作來實現(xiàn)的。
系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)時鐘初始化：選擇8MHz時鐘XT2作為主時鐘的時鐘源，選擇DCO為子時鐘的時鐘源。
I／O口初始化：將P3.3設置為輸出用來作為驅(qū)動蜂嗚器的信號；P4.0設置為輸出作為TPS2384的模式選擇信號；P4.2設置為輸出作為TPS2384的復位信號；P4.1設置為輸入作為TPS2384的出錯中斷輸入信號；
串口初始化：MSP430F148通過UART1與CP2102通信，UART1設置如下：發(fā)送字符位數(shù)為8位；發(fā)送／接收速率為9600；選擇輔助時鐘ACLK作為波特率發(fā)生器的時鐘源；使能串口接收和發(fā)送操作；將P3.6和P3.7的功能選擇寄存器設置為串口收發(fā)模式。
I2C-BUS的實現(xiàn)
在MSP430F148中，沒有標準的I2C-BUS通信模塊，因此，需要將I2C-BUS通信規(guī)范中的SDA和SCL通過P3.0和P3.2用軟件來模擬實現(xiàn)，完成I2C-BUS的讀寫操作。
I2C-BUS寫操作：I2C-BUS的寫函數(shù)voidWriteI2C(char Addr，char Reg，char Ctr)由形參Addr-TPS2384的地址、Reg—TPS2384寄存器地址、Ctr-控制信息構成；寫函數(shù)由I2CInit()、I2CStart()、I2CSent(unsigned char data)、I2CReceiveAck()、I2CReceiveAck()、I2CReceiVeAck()、I2CStop()和delay()子函數(shù)組成，I2C-BUS的寫函數(shù)完成向指定的TPS2384內(nèi)部寄存器中寫入控制信息。
I2C-BUS的讀操作：I2C-BUS的讀函數(shù)voidReadI2C(unsigned char Adr,unsigned char Rg)由形參Adr-TPS2384的地址、Rg-TPS2384寄存器地址構成，此操作的結果是將地址為Adr的TPS2384中的Rg狀態(tài)寄存器中的信息讀出，并將它存入char型全局變量中，讀函數(shù)由I2CInit()、I2CStart()、I2CSent()、I2CReceiveAck()、I2CSent(unsigned char data)、Rec_dat()、I2CSentNAck()、I2CReceiveAck()、I2CStop()和delay()子函數(shù)組成，由這些予函數(shù)共同完成I2C-BUS的讀時序。
PSE終端監(jiān)控程序
PSE終端監(jiān)控程序主要完成對各個供電端口的實時監(jiān)控功能，由于使用了USB橋接芯片CP2102，在邏輯上監(jiān)控程序只要完成串口通信就可以了，各種控制數(shù)據(jù)將通過終端監(jiān)控程序來設置，同時采集到的各個供電端口的實時工作參數(shù)也將直觀顯示在監(jiān)控程序上，終端監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)了對供電的高級管理功能。
以太網(wǎng)供電設備在EPA系統(tǒng)中的應用
EPA系統(tǒng)是一種用于工業(yè)測量與控制的分布式工業(yè)自動化以太網(wǎng)，它將分布在工業(yè)現(xiàn)場的設備連接起來，通過EPA系統(tǒng)完成對工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，EPA系統(tǒng)支持以太網(wǎng)供電技術。在實際應用中我們將PSE系統(tǒng)和集線器集成在一起設計出了端接式PSE，即PoE-Hub，使得應用更加靈活方便，典型應用如圖3所示，當PoE-Hub偵測到802.11b無線網(wǎng)關、Zigbee接入點和有線閥門定位器為合法的PD后，將執(zhí)行可選的分級操作，之后將向它們提供工作所需的+48V最大13W的電力，同時傳輸EPA監(jiān)控上位機的監(jiān)控數(shù)據(jù)，使得它們能夠正常工作，對各個端口供電情況的監(jiān)控由臨控PC上的PSE終端臨控軟件完成。
結語
本設計采用MSP430F148單片機和以太網(wǎng)供電管理器TPS2384開發(fā)了符合以太網(wǎng)供電標準IEEE802.3af的可監(jiān)控高級以太網(wǎng)供電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在EPA系統(tǒng)應用中有良好的使用效果，在實際應用中也可以根據(jù)需要進行簡化從而降低成本。
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