基于MAX5945的以太網(wǎng)供電設備

　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(gè)寄存器和常數發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源可以使器件達到最低的功耗；數字控制的振蕩器(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(shí)現對以太網(wǎng)供電電源管理芯片的控制，也可以使用戶(hù)方便地通過(guò)終端監控程序對以太網(wǎng)供電設備進(jìn)行監控。
1 IEEE802.3af標準簡(jiǎn)介[1-3]
　　IEEE802.3af標準定義了一種允許通過(guò)以太網(wǎng)在傳輸數據的同時(shí)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(shù)引入到現有的網(wǎng)絡(luò )基礎設施中，且與原有的網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)纜，并實(shí)施功率的規劃和管理。IEEE802.3af標準定義了兩種類(lèi)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(xiàn)器或其他網(wǎng)絡(luò )設備，這種設備在CAT5線(xiàn)纜的信號線(xiàn)對或備用線(xiàn)對上傳輸電源；Midspan PSE是專(zhuān)門(mén)用于電源管理的設備，不進(jìn)行數據交換，它通常和數據交換設備放在一起協(xié)同工作，以實(shí)現以太網(wǎng)供電的功能。PSE主要工作步驟為：
　?、?偵測(Discovery)。在允許PSE向合法的PD供電之前，它必須用一個(gè)有限功率的測試源來(lái)檢查特征電阻。一般用兩點(diǎn)檢測法來(lái)完成偵測工作。
　?、?分級(classify)。偵測到有效的PD后，PSE利用一個(gè)15.5~20.5 V的探測電壓來(lái)檢測PD的功率級別。PD通過(guò)從線(xiàn)上吸收不同的恒定電流(分級特征信號)來(lái)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(gè)端口的供電情況進(jìn)行監視，提供欠壓和過(guò)流保護。
　?、?斷電(shutdown)。當PD斷開(kāi)后，PSE停止對線(xiàn)路進(jìn)行供電。PSE可以用DC斷路檢測法或者AC斷路檢測法來(lái)檢測PD是否斷開(kāi)。
　　PD負責在網(wǎng)絡(luò )終端設備中分離出48V電源和數據信號，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(jìn)行偵測、分級時(shí)，PD應做出相應的反應；同時(shí)，在PSE供電過(guò)程中，PD通過(guò)維持功率特征(Maintain Power Signature,MPS)發(fā)送持續工作信號。
2 硬件體系結構與組成[46]
　　在PoE系統中，PSE是主要部分。PSE除了實(shí)現上述電源管理功能外，在一些特殊應用場(chǎng)合，還必須能夠提供各路PD的實(shí)時(shí)工作參數，并且可以通過(guò)運行于PC上的終端監控程序來(lái)監控整個(gè)系統。PSE系統分為硬件和軟件兩部分，圖1為供電系統的硬件體系結構圖。

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(guò)I2CBUS對MAX5945讀寫(xiě)，從而實(shí)現電源管理功能；通過(guò)模式設置信號線(xiàn)來(lái)設置MAX5945的工作模式；通過(guò)出錯中斷信號線(xiàn)獲得來(lái)自于MAX5945的出錯中斷信號，從而通過(guò)復位信號線(xiàn)對MAX5945產(chǎn)生有效的低電平復位脈沖信號。同時(shí)，MSP430F148通過(guò)內部UART模塊，經(jīng)過(guò)CP2102橋接為USB接口后完成與PC上終端監控程序的通信；也可以通過(guò)串口和PC機進(jìn)行通信,系統進(jìn)行直觀(guān)的監控，并且當系統識別到?jīng)]有與PC建立連接時(shí)會(huì )自主運行。下面介紹一下系統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中各個(gè)器件提供工作電壓，系統工作時(shí)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(guò)轉換后提供工作電壓。
　　電源模塊：采用220 V轉-48 V的開(kāi)關(guān)電源模塊，由于1個(gè)MAX5945可以對4個(gè)以太網(wǎng)口進(jìn)行供電管理，I2CBUS上可以?huà)燧d多個(gè)MAX5945,因此可以根據實(shí)際情況來(lái)選擇電源模塊的功率。MAX5945工作時(shí)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(guò)AMS11173.3將+5 V轉換為MSP430F148工作時(shí)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(luò )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(kāi)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。MAX5945可獨立工作，也可以由軟件通過(guò)I2C兼容的接口進(jìn)行控制。單獨的輸入和輸出數據線(xiàn)(SDAIN和SDAOUT)允許使用光電耦合器。INT輸出和4個(gè)關(guān)斷輸入(SHD_)允許從出現錯誤到端口關(guān)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(guò)流檢測使系統電源管理能夠檢測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(dòng)模式、半自動(dòng)模式、人工模式和關(guān)斷模式。在自動(dòng)模式下，自動(dòng)實(shí)現對標準PD的偵測、分級和供電等功能而不需要微控制器進(jìn)行控制，因此，在低成本設計中可以直接設置MAX5945為自動(dòng)模式（該模式下MAX5945采用DC斷路檢測法檢測PD是否斷開(kāi)）。在半自動(dòng)模式下，MAX5945根據需要反復進(jìn)行行偵測和/或分級，無(wú)論端口的連接狀態(tài)如何都不會(huì )給端口上電。每次要利用軟件命令關(guān)閉端口供電。在人工模式下，可以執行優(yōu)越的AC斷路檢測，實(shí)時(shí)地獲得每個(gè)PD的電壓與電流，這些需要通過(guò)I2C總線(xiàn)對MAX5945內部的讀寫(xiě)寄存器進(jìn)行控制來(lái)完成，因此需要編寫(xiě)運行于微控制器MSP430F148上的程序來(lái)完成對供電的高級管理。關(guān)斷模式終止所有活動(dòng)，并安全地關(guān)閉端口電源。在器件完成其當前任務(wù)之前，自動(dòng)、半自動(dòng)、人工模式之間的切換不發(fā)生作用。當端口被設為關(guān)斷模式時(shí)，端口立刻停止所有工作，維持空閑狀態(tài)直到退出關(guān)斷模式。
　　地址設置電路：MAX5945是從器件，4條地址線(xiàn)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(guò)設置MAX5945的內部寄存器配合外部的AC斷路檢測電路來(lái)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(gè)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(guān)地顯示各個(gè)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(jiǎn)指令組對全部功能模塊進(jìn)行操作。它具有16位RISC結構，片內具有48 KB Flash、2 KB RAM、USART等模塊；CPU中的16個(gè)寄存器和常數發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率；通過(guò)采用不同的時(shí)鐘源可以使MSP430F148滿(mǎn)足不同的低功耗要求；數字控制的振蕩器（DCO）可使MSP430F148在6μs之內從低功耗模式轉換到激活工作模式；支持在線(xiàn)仿真功能，開(kāi)發(fā)工具能很好地支持C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，能夠提高軟件的開(kāi)發(fā)效率，MSP430F148的安全熔絲可以對程序的代碼進(jìn)行保護。
　　MSP430 F148單片機采用存儲器—存儲器結構，即用一個(gè)公共的空間對全部功能模塊尋址，同時(shí)用精簡(jiǎn)指令組對全部功能模塊進(jìn)行操作。其內部結構包括CPU、存儲器、振蕩器與時(shí)鐘發(fā)生器和外圍模塊等。
　　時(shí)鐘電路：MSP430F148的時(shí)鐘模塊主要由高速時(shí)鐘、低速時(shí)鐘和數字控制振蕩器組成。數字控制振蕩器集成在內部，8 MHz的高速時(shí)鐘和32.768 kHz的低速時(shí)鐘由外部時(shí)鐘電路產(chǎn)生。
　　復位電路：采用阻容式復位電路，實(shí)現對MSP430F148的外部手動(dòng)復位。
　　JATG接口：MSP430F148單片機內部嵌入了JTAG接口，支持邊界掃描技術(shù)標準IEEE1149.1，主要由5個(gè)控制信號TCK、TDO、TDI、TMS和RST組成，通過(guò)集成的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以很容易地在線(xiàn)調試代碼。
　　蜂鳴器：當程序檢測到MAX5945運行出錯時(shí)，通過(guò)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(guò)聲音報警的作用。
2.4 USB橋接器CP2102
　　CP2102是一款高集成度的專(zhuān)用通信芯片。該芯片的功能是實(shí)現UART和USB格式間數據的轉換，集成了一個(gè)符合USB2.0標準的全速功能控制器、EEPROM、緩沖器和帶有調制解調器接口信號的UART數據總線(xiàn)，同時(shí)具有一個(gè)集成的內部時(shí)鐘和USB收發(fā)器。通過(guò)CP2102可以很簡(jiǎn)單地實(shí)現UART到USB間的橋接，從而為系統添加USB通信接口。
3 軟件設計與實(shí)現[68]
　　PSE的軟件實(shí)現主要包括兩個(gè)部分：運行于MSP430F148的PSE運行控制程序和運行于PC的PSE終端監控程序。兩者通過(guò)由CP2102構成的USB接口通信。