摘要 網(wǎng)絡供電是EPA的關鍵技術之一。本文簡要介紹了IEEE802.3af標準，系統(tǒng)分析了以太網(wǎng)供電設備的功能需求和總體設計，選用MSP430F148單片機和MAX5945以太網(wǎng)供電電源管理器，基于I2-CBUS通信規(guī)范，開發(fā)了符合IEEE802.3af標準以太網(wǎng)供電設備，并給出了該供電設備在EPA系統(tǒng)中的應用實例。
關鍵詞 IEEE802.3af PoE 以太網(wǎng)供電設備 MSP430F148 MAX5945 I2C-BUS EPA
　　MSP430F148是美國TI公司推出的超低功耗混合信號控制器MSP430系列中的Flash型單片機。它具有16位RISC結構，CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功耗；數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在6μs之內(nèi)激活到活躍的工作方式。將它應用于以太網(wǎng)供電設備中，可方便地實現(xiàn)對以太網(wǎng)供電電源管理芯片的控制，也可以使用戶方便地通過終端監(jiān)控程序?qū)σ蕴W(wǎng)供電設備進行監(jiān)控。
1 IEEE802.3af標準簡介[1-3]
　　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48 V直流電源的方法。它將以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet,PoE）技術引入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施中，且與原有的網(wǎng)絡設備相兼容；最大能夠提供12.95 W的功率，傳輸距離為100 m。
　　PoE由兩部分組成：供電設備(Power Sourcing Equipment，PSE)和受電設備(Powered Device，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標準定義了兩種類型的PSE，一種為“Endpoint PSE”；另一種為“Midspan PSE”。Endpoint 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CAT5線纜的信號線對或備用線對上傳輸電源；Midspan 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)交換設備放在一起協(xié)同工作，以實現(xiàn)以太網(wǎng)供電的功能。PSE主要工作步驟為：
　　① 偵測(Discovery)。在允許PSE向合法的PD供電之前，它必須用一個有限功率的測試源來檢查特征電阻。一般用兩點檢測法來完成偵測工作。
　?、?分級(classify)。偵測到有效的PD后，PSE利用一個15.5~20.5 V的探測電壓來檢測PD的功率級別。PD通過從線上吸收不同的恒定電流(分級特征信號)來向PSE表明自己所需的最大功率。
　?、?供電(delivery)。成功偵測和分級后，PSE向PD正常供電。供電期間，PSE還要對每個端口的供電情況進行監(jiān)視，提供欠壓和過流保護。
　　④ 斷電(shutdown)。當PD斷開后，PSE停止對線路進行供電。PSE可以用DC斷路檢測法或者AC斷路檢測法來檢測PD是否斷開。
　　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48V DC電源變壓為通常情況下終端設備工作所需的5V DC。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(Maintain Power Signature,MPS)發(fā)送持續(xù)工作信號。
2 硬件體系結構與組成[46]
　　在PoE系統(tǒng)中，PSE是主要部分。PSE除了實現(xiàn)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。

圖1 以太網(wǎng)供電設備硬件體系結構圖
　　系統(tǒng)主要由電源模塊、電源轉換電路、MAX5945及其外圍電路、MSP430F148及其外圍電路、CP2102及其外圍電路組成。16位單片機MSP430F148通過I2CBUS對MAX5945讀寫，從而實現(xiàn)電源管理功能；通過模式設置信號線來設置MAX5945的工作模式；通過出錯中斷信號線獲得來自于MAX5945的出錯中斷信號，從而通過復位信號線對MAX5945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；也可以通過串口和PC機進行通信,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。下面介紹一下系統(tǒng)各部分硬件的具體功能。
2.1 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48 V、+5 V和+3.3 V三種電壓，CP2102需要的+5 V由PC的USB接口提供，其他器件由電源模塊輸出的+48 V或經(jīng)過轉換后提供工作電壓。
　　電源模塊：采用220 V轉-48 V的開關電源模塊，由于1個MAX5945可以對4個以太網(wǎng)口進行供電管理，I2CBUS上可以掛載多個MAX5945,因此可以根據(jù)實際情況來選擇電源模塊的功率。MAX5945工作時只需要外部單獨的-48 V供電，由電源模塊經(jīng)轉換電路反相后提供。
　　電源轉換電路：MSP430F148的工作電壓為+3.3 V,本設計采用電源轉換芯片LM2575HVS5.0將+48 V轉換為+5 V,經(jīng)過AMS11173.3將+5 V轉換為MSP430F148工作時所需要的+3.3 V。
2.2 以太網(wǎng)供電管理器部分
　　MAX5945是Maxim公司推出的一款四路網(wǎng)絡電源控制器，用于與IEEE802.3af兼容的供電設備(PSE)。該器件提供用電設備(PD)探測、分級、限流以及直流和交流負載斷開探測。MAX5945可用于終端PSE(LAN交換機/路由器)或中跨PSE(電源注入)系統(tǒng)。MAX5945可獨立工作，也可以由軟件通過I2C兼容的接口進行控制。單獨的輸入和輸出數(shù)據(jù)線(SDAIN和SDAOUT)允許使用光電耦合器。INT輸出和4個關斷輸入(SHD_)允許從出現(xiàn)錯誤到端口關斷的快速響應。RESET輸入允許硬件復位器件。MAX5945完全由軟件配置和編程。分級過流檢測使系統(tǒng)電源管理能夠檢測PD吸收的電流是否大于其分級所允許的電流。MAX5945具有4種工作模式,分別為自動模式、半自動模式、人工模式和關斷模式。在自動模式下，自動實現(xiàn)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MAX5945為自動模式（該模式下MAX5945采用DC斷路檢測法檢測PD是否斷開）。在半自動模式下，MAX5945根據(jù)需要反復進行行偵測和/或分級，無論端口的連接狀態(tài)如何都不會給端口上電。每次要利用軟件命令關閉端口供電。在人工模式下，可以執(zhí)行優(yōu)越的AC斷路檢測，實時地獲得每個PD的電壓與電流，這些需要通過I2C總線對MAX5945內(nèi)部的讀寫寄存器進行控制來完成，因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。關斷模式終止所有活動，并安全地關閉端口電源。在器件完成其當前任務之前，自動、半自動、人工模式之間的切換不發(fā)生作用。當端口被設為關斷模式時，端口立刻停止所有工作，維持空閑狀態(tài)直到退出關斷模式。
　　地址設置電路：MAX5945是從器件，4條地址線可以為MAX5945選擇16種不同的I2C地址。
　　AC斷路檢測電路：在PMM模式下，可以通過設置MAX5945的內(nèi)部寄存器配合外部的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。
　　狀態(tài)顯示電路：MAX5945需要在每個端口的供電回路上加入檢測顯示電路。這樣MAX5945工作在三種模式下都可以直觀地顯示各個端口的工作狀態(tài)。
2.3 單片機控制部分
　　MSP430F148是TI公司推出的超低功耗混合信號控制器MSP430系列中的Flash型單片機，采用精簡指令組對全部功能模塊進行操作。它具有16位RISC結構，片內(nèi)具有48 KB Flash、2 KB RAM、USART等模塊；CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率；通過采用不同的時鐘源可以使MSP430F148滿足不同的低功耗要求；數(shù)字控制的振蕩器（DCO）可使MSP430F148在6μs之內(nèi)從低功耗模式轉換到激活工作模式；支持在線仿真功能，開發(fā)工具能很好地支持C語言開發(fā)，能夠提高軟件的開發(fā)效率，MSP430F148的安全熔絲可以對程序的代碼進行保護。
　　MSP430 F148單片機采用存儲器—存儲器結構，即用一個公共的空間對全部功能模塊尋址，同時用精簡指令組對全部功能模塊進行操作。其內(nèi)部結構包括CPU、存儲器、振蕩器與時鐘發(fā)生器和外圍模塊等。
　　時鐘電路：MSP430F148的時鐘模塊主要由高速時鐘、低速時鐘和數(shù)字控制振蕩器組成。數(shù)字控制振蕩器集成在內(nèi)部，8 MHz的高速時鐘和32.768 kHz的低速時鐘由外部時鐘電路產(chǎn)生。
　　復位電路：采用阻容式復位電路，實現(xiàn)對MSP430F148的外部手動復位。
　　JATG接口：MSP430F148單片機內(nèi)部嵌入了JTAG接口，支持邊界掃描技術標準IEEE1149.1，主要由5個控制信號TCK、TDO、TDI、TMS和RST組成，通過集成的IDE開發(fā)環(huán)境，可以很容易地在線調(diào)試代碼。
　　蜂鳴器：當程序檢測到MAX5945運行出錯時，通過MSP430F148的P3.3口向蜂鳴器發(fā)送一定頻率的脈沖信號，這樣可以起到通過聲音報警的作用。
2.4 USB橋接器CP2102
　　CP2102是一款高集成度的專用通信芯片。該芯片的功能是實現(xiàn)UART和USB格式間數(shù)據(jù)的轉換，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可以很簡單地實現(xiàn)UART到USB間的橋接，從而為系統(tǒng)添加USB通信接口。
3 軟件設計與實現(xiàn)[68]
　　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。
3.1 PSE運行控制程序
　　PSE運行控制程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、對MAX5945進行控制、與PC通信，以及對數(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，設置MAX5945工作在AM模式下，MAX5945將自主運行；此時不能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MAX5945設置為相應的工作模式，此時系統(tǒng)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MAX5945各端口寄存器的讀寫操作來實現(xiàn)的。
3.1.1 系統(tǒng)初始化
　　系統(tǒng)時鐘初始化：選擇8 MHz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,作為驅(qū)動蜂鳴器的信號；P4.0設置為輸出，作為MAX5945的模式選擇信號；P4.2設置為輸出，作為MAX5945的復位信號；P4.1設置為輸入，作為MAX5945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9 600 bps；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。
3.1.2 I2C-BUS的實現(xiàn)
　　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。
（1） I2C-BUS寫操作
　　I2C-BUS的寫函數(shù)“void WriteI2C(char Addr,char Reg ,char Ctr)”由形參AddrMAX5945的地址、RegMAX5945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)用于向指定的MAX5945內(nèi)部寄存器中寫入控制信息，具體的I2C-BUS寫操作流程如圖3所示。
（2） I2C-BUS的讀操作
　　I2C-BUS的讀函數(shù)“void ReadI2C(unsigned char Adr,unsigned char Rg)”由形參AdrMAX5945的地址、RgMAX5945寄存器地址構成。此操作的結果是將地址為Adr的 MAX5945 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，由這些子函數(shù)共同完成I2C-BUS的讀時序。具體的I2C-BUS讀操作流程如圖4所示。

圖2 PSE運行控制流程圖

圖3 I2C-BUS寫操作流程　　　　圖4 I2C-BUS讀操作流程
3.2 PSE終端監(jiān)控程序
　　PSE終端監(jiān)控程序主要實現(xiàn)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)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。
4 結論
　　隨著以太網(wǎng)供電技術的成熟與發(fā)展，以太網(wǎng)供電技術將逐漸被廣泛采用。本設計采用MSP430F148單片機和以太網(wǎng)供電管理器MAX5945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)也可以根據(jù)實際需要進行簡化從而降低成本，此系統(tǒng)已經(jīng)應用在EPA（工業(yè)自動化以太網(wǎng)）系統(tǒng)中，有良好的使用效果。
參考文獻