以太網(wǎng)電子電路設計圖集錦TOP8—電路圖天天讀（95）

　　TOP1 ARM7內核微控制器LPC2148以太網(wǎng)接口電路

　　嵌入式主控模塊采用了基于A(yíng)RM7TDMI-S內核的微控制器LPC2148，集成度非常高。內嵌40kB的片內靜態(tài)RAM和512kB的片內 Flash存儲器，片內集成ADC、DAC轉換器，看門(mén)狗，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，2個(gè)UART，2個(gè)I2C還有SPI等多個(gè)總線(xiàn)接口，及USB2.0全速接口。方便擴展USB接口、JTAG調試接口、觸摸屏，外擴芯片少，而且采用超小的LQFP64封裝，使得儀器的微型化得到了保證。而且電路相對簡(jiǎn)單，降低了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的成本。芯片可以實(shí)現最高60MHz的工作頻率，有著(zhù)較強的功能，能夠滿(mǎn)足嵌入式系統μC/OS—II及人性化的人機界面的要求。本設計中 LPC2148所有的接口都有使用。

　　圖2 以太網(wǎng)接口電路圖

　　LED模塊采用了20個(gè)6種波長(cháng)的LED。多波長(cháng)的設計使得測量更有針對性，測量數據更有效。我們的設計能夠通過(guò)CCD測量的每個(gè)LED的亮度，然后由 LPC2148通過(guò)點(diǎn)校正功能控制通過(guò)LED電流的大小，從而使LED之間的亮度保持一致，進(jìn)一步提高測量的準確性。本設計使用的網(wǎng)絡(luò )芯片是帶SPI接口的獨立以太網(wǎng)控制器，占用MCU的I/O口較少。CCD模塊主要包括整機電源、CPLD、線(xiàn)陣CCD傳感器、運算放大器和高精度AD轉換器。

　　智能門(mén)禁控制以太網(wǎng)接口電路設計

　　數字安防系統綜合利用了現代傳感技術(shù)、數字信息處理技術(shù)、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，能夠實(shí)現社區各種安防信息的采集、處理、傳輸、顯示和高度集成共享。數字安防系統包括門(mén)禁、CCTV視頻監控及防盜報警3個(gè)子系統，各子系統通過(guò)監控網(wǎng)、信息網(wǎng)、電話(huà)網(wǎng)、電視網(wǎng)等不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)互通，達到協(xié)調運行、綜合管理的目的。

　　智能門(mén)禁控制系統由上位機、控制器、讀卡器、電鎖、門(mén)磁、識別卡和出門(mén)按鈕等組成。系統結構如圖1所示。

　　圖1 門(mén)禁控制系統示意圖

　　門(mén)禁控制系統的工作過(guò)程是：從控制中心即上位機經(jīng)通信接口向控制器傳輸事先設置好的各項運行參數，如使用人員信息、出/入門(mén)方式等，完成系統初始化工作；通常情況下門(mén)禁控制器處于等待狀態(tài)，當有人刷卡時(shí)讀卡器通過(guò)標準的Wiegand接口將卡號傳輸到門(mén)禁控制器，控制器中采集數據的中斷服務(wù)程序將當前卡號、卡片狀態(tài)、當前時(shí)間、控制模式等信息與初始化信息進(jìn)行比較，得出準許與否的結果，該結果又被送到讀卡器中，向讀卡人發(fā)出聲光指示。當比較結果為準許時(shí)，控制器通過(guò)繼電器驅動(dòng)電控鎖使之退出鎖門(mén)狀態(tài)。依據以上工作過(guò)程設計出的門(mén)禁控制器總體框架如圖2所示。

　　圖2 門(mén)禁控制器總體結構

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　　以太網(wǎng)技術(shù)資料集錦——讓以太網(wǎng)技術(shù)邁向工業(yè)物聯(lián)時(shí)代！

　　TOP2 智能門(mén)禁控制器以太網(wǎng)接口硬件電路

　　本文采用由S3C44B0X和RTL8019AS組成的智能門(mén)禁控制器以太網(wǎng)接口方案。作為一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )控制器，基于S3C44B0X處理器的系統必須要有以太網(wǎng)接口電路才能發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò )應用的特長(cháng)。以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（physical layer， PHY）組成。S3C44B0X片內已有帶MII（media independent interface）接口的MAC控制器，故只需再外接一片物理層芯片，以提供以太網(wǎng)的接入通道。這里選擇Realted公司生產(chǎn)的高度集成的以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS。此芯片支持IEEE802.3；支持8bit或16bit數據總線(xiàn)；內置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖；全雙工，收發(fā)同時(shí)達到10Mb/s；支持10Base5、10Base2、10BaseT，并能自動(dòng)檢測所連接的介質(zhì)。數據的發(fā)送校驗，總線(xiàn)數據包的碰撞檢測與避免是由 RTL8019AS自己完成的。設計出的以太網(wǎng)接口電路圖如圖3所示。

　　圖3 以太網(wǎng)接口電路

　　揭秘LPC2294泵艙以太網(wǎng)信號轉換電路設計圖

　　本文提出一種基于LC2294 處理器的泵艙信號轉換電路，實(shí)現了對3 路4～20 mA電流信號的采集處理，并將4～20 mA 電流信號轉化為0～1.6 MPa 壓力信號，當壓力信號超過(guò)設定門(mén)限后進(jìn)行壓力超限光報警，轉化誤差≤0.01 MPa，同時(shí)壓力數據通過(guò)10/100 Mbit·s-1 自適應雙冗余以太網(wǎng)上傳到上位機，數據發(fā)送頻率≥5 次/s。

　　模數轉換電路

　　本設計中采用標準5 V 電源對AD7888 進(jìn)行供電，并將已轉換為電壓形式的模擬壓力信號分別送入模擬信號1～3 引腳。由于LPC2294 芯片的電平為3.3 V，而AD7888 的電平為5 V。因此，LPC2294 對AD7888 的控制信號需要進(jìn)行電平轉換，這才能穩定的對AD7888 進(jìn)行控制。設計中使用74LVC245 進(jìn)行電平轉換，將來(lái)自L(fǎng)PC2294 芯片的片選信號、時(shí)鐘信號以及數據輸入信號送入74LVC245，經(jīng)電平轉換后分別輸入給AD7888。因LPC2294 可承受5 V 電壓，所以將模數轉換后的輸出數據直接送入LPC2294 的P0.28 引腳。其具體電路如圖2 所示。

　　圖2 模數轉換電路

　　以太網(wǎng)接口電路設計

　　以太網(wǎng)接口電路主要由DM9000E 以太網(wǎng)控制器及HR601860 網(wǎng)卡變壓器組成。DM9000E 是由Davicom 公司設計的一款低功耗、高集成、高速以太網(wǎng)控制芯片，其可與CPU 直接相連，并支持10/100 Mbit·s-1 以太網(wǎng)連接，且接口支持8位、16 為32 位不同的處理器。系統設計為兩個(gè)網(wǎng)口，一個(gè)主網(wǎng)口，另一個(gè)為冗余網(wǎng)口。系統中LPC2294 與DM9000E 采用16 位總線(xiàn)方式進(jìn)行控制連接，并將其設定在100 MHz 全雙工模式下。通過(guò)對LPC2294 的CS2、CS3 引腳進(jìn)行控制以實(shí)現輸出片選信號對兩個(gè)網(wǎng)口進(jìn)行選擇。電路設計方面將CS2、CS3 與74HC245 的引腳A2、A1 進(jìn)行連接，并將74HC245B1、B2 引腳分別與冗余網(wǎng)卡芯片及主網(wǎng)卡芯片的ANE 引腳相連。再將兩個(gè)DM9000E 芯片的CMD 引腳與LPC2294 的A2 相連?？蓪⒅骶W(wǎng)卡芯片和冗余網(wǎng)卡芯片的數據端口地址與索引端口地址分別配置成為0x83800000、0x83800004 和0x83400000、0x83400004。DM9000E 的物理層發(fā)送和接收端口TXO+、TXO-、RXI+、RXI-分別與HR601680的TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-相連。如圖 3 所示。

　　在對船舶安全關(guān)注度日益提高的前提下，本文提出一種船舶泵艙信號轉換電路設計，該設計方便對船用泵的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，以達到對異常狀態(tài)的提前預警。設計以ARM7 系列LPC2294 為核心控制器，配合其他芯片實(shí)現了將壓力傳感器輸出的壓力數據通過(guò)網(wǎng)卡傳送至以太網(wǎng)的通信功能。并通過(guò)實(shí)驗驗證了信號轉換系統的可靠性。此外，針對自動(dòng)化采集技術(shù)的誤判問(wèn)題，下一步的研究方向可將采集到的數據進(jìn)行有效地數據融合，用以提高數據準確性，并減少誤判的發(fā)生。

　　TOP3 CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)電路

　　提出一種工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)互聯(lián)方法，介紹以太網(wǎng)與CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)之間協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)的設計與實(shí)現，采用AT89C55 作為主處理器，通過(guò)兩個(gè)接口芯片實(shí)現CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)的互連，分別給出其硬件結構和軟件設計思想。目前，對于CAN 和以太網(wǎng)相連的嵌入式網(wǎng)關(guān)設計主要有兩種方法：一種是低檔MCU 加接口芯片的設計方法，另一種是高檔MCU 加EOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統）再加接口芯片的設計方法。因CAN 只采用了ISO／OSI 參考模型的一、二層，協(xié)議相對簡(jiǎn)單，比較適合用于低成本、速率要求不高的離散控制系統。從合理的成本和有效利用處理能力這兩方面考慮，該設計采用低檔 MCU 加接口芯片的方法，其硬件框圖見(jiàn)圖。

　　主控芯片及以太網(wǎng)接口模塊

　　根據要求，該系統選擇了性能價(jià)格比較高的AT89C55 單片機。它是面向測控對象和嵌入式應用的，所以它的體系結構以及CPU、指令系統、外圍單元電路都是按照這種要求專(zhuān)門(mén)設計的。它內部帶高達20 KB 的FLASH 程序存儲器，AT89C55 完全兼容8051 指令集，片上FLASH 方便了使用者進(jìn)行在線(xiàn)編程，工作速率最高可達33 MHz，256 B 的內部RAM，32 個(gè)可編程的I／O口，3 個(gè)16 位的定時(shí)／計數器，8 個(gè)中斷源，支持低功耗的空閑工作模式。以太網(wǎng)接口選用的是RTL8019AS 芯片，它是一種高度集成的以太網(wǎng)控制器，能實(shí)現以太網(wǎng)媒介訪(fǎng)問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。RTL8019AS 內部有兩個(gè)RAM 區域：一是16 KB，地址為0x4000～0x7fff，要接收和發(fā)送數據包必須通過(guò)DMA 讀寫(xiě)RTL8019AS 內部的16 KB 的RAM，它實(shí)際上是雙端口RAM，即有兩條總線(xiàn)與其連接，一條總線(xiàn)用于RTL8019AS讀／寫(xiě)或寫(xiě)／讀該RAM，即本地DMA；另一條總線(xiàn)用于單片機讀或寫(xiě)該RAM，即遠程DMA；二是32 個(gè)字節，地址為0x0000～0x001F，用于存儲以太網(wǎng)物理地址。主控芯片和以太網(wǎng)接口芯片的硬件接口原理圖見(jiàn)圖2。值得注意的是由于以太網(wǎng)的包最大可以超過(guò)1 500 個(gè)字節，AT89C55 的片內RAM 只有256 個(gè)字節，因此無(wú)法存儲這么大的包，所以這里擴展了一個(gè)32 KB 的外部RAM，這樣同時(shí)也能提高單片機的數據傳輸速度。

　　圖2 以太網(wǎng)接口電路原理圖

　　CAN 接口模塊

　　組成CAN 系統的主要器件是CAN 控制器和收發(fā)器。該設計中，CAN 接口模塊選用SJA1000 芯片和PCA82C250 芯片。SJA1000 是一個(gè)獨立的CAN 控制器，它是Philips 公司另一個(gè)CAN 控制器PCA82C200 的替代產(chǎn)品，且增加了一種新的工作模式（Peli CAN），這種模式支持CAN 2．0B 協(xié)議。SJA1000 主要完成CAN 的通信協(xié)議，實(shí)現報文的裝配和拆分、接收信息的過(guò)濾和校驗等。PCA82C250 是CAN 控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，主要用于增強系統的驅動(dòng)能力。采用收發(fā)器的系統中，節點(diǎn)數至少可以達到110 個(gè)，同時(shí)還具有降低射頻干擾（RFI）和很強的抗電磁干擾（EMI）能力。

　　圖3 CAN 接口模塊的硬件電路圖

　　這里介紹的是一種低成本、高可靠性、快捷的CAN 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件設計方案，通過(guò)實(shí)際應用證明，該設計可以作為CAN 總線(xiàn)節點(diǎn)的一個(gè)模塊，能夠與儀器儀表等設備相結合，使其具有網(wǎng)絡(luò )通信的能力，比較同類(lèi)產(chǎn)品的設計，該設計能大大提高其性?xún)r(jià)比。

　　TOP4 以太網(wǎng)供電檢測和分級接口電路

　　工作方式：R31 提供檢測阻抗。為了在檢測電壓范圍內正確操作，穩壓管VR31在輸入電壓低于11 V時(shí)禁止分級電路。通過(guò)R33和Q31基極-射極電壓的一起作用，Q32、Q31和R32形成一個(gè)350 mA的偏置電流源。通過(guò)R34和1.24 V電壓參考U31的一起作用，三極管Q33形成分級電流源。當穩壓管VR32導通時(shí)（當輸入電壓超過(guò)大約28 V時(shí)），三極管Q34關(guān)閉分級電流源。

　　圖1. PoE接口電路 — 級別2

　　PoE檢測和分級

　　在網(wǎng)絡(luò )和電信應用中PoE越來(lái)越被廣泛采用。典型用電設備方案如圖1所示，包括了一個(gè)PoE接口電路和DPASwitch，DC-DC轉換器框圖，PoE規格要求PD完成三個(gè)功能：檢測、分級和通路開(kāi)關(guān)。當輸入電壓從2.5 V上升到10 V時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入檢測，PD內的電阻R31向PSE發(fā)送檢測阻抗。當輸入電壓從14.5上升到20.5 VDC時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入分級。在這個(gè)階段，發(fā)送裝置通過(guò)監控PD所吸收的電流量來(lái)決定PD的級別。對于1、2和3級，分級電流（ICL）通過(guò)電阻R34設定。

　　MCU與以太網(wǎng)控制器通信電路

　　由MCU控制器、1602 LCD液晶顯示器、外部數據 存儲 器24C04、穩壓電源、時(shí)鐘振蕩電路、蜂鳴器、鍵盤(pán)矩陣和由繼電器控制的空調機等組成。MCU采用8位C51單片機AT89S52，片內含8 KB的E2PROM和256 B的RAM。該處理控制模塊的工作過(guò)程為：上電完成初始化后，MCU讀取存儲在外存24C04中的上次已設置好的溫度上下限值和保存的采樣間隔值，然后進(jìn)入主循環(huán)。根據采樣間隔時(shí)間，MCU讀取各數字溫度傳感器DS1825內溫度數據，同時(shí)點(diǎn)亮LCD以便顯示當前所測溫度值，并根據已設置好的溫度上下限值來(lái)確定是否驅動(dòng)蜂鳴器報警且控制空調機工作進(jìn)行溫度調節。本模塊有良好的交互性能，利用鍵盤(pán)中斷可在線(xiàn)隨時(shí)設置溫度上下限值、采樣間隔時(shí)間值并可將這些數據保存至外存中。該模塊電路圖如圖2所示。

　　網(wǎng)絡(luò )通信模塊：要使單片機 嵌入式 系統接入Internel網(wǎng)絡(luò )，必須解決以太網(wǎng)的接入問(wèn)題，就要用到專(zhuān)門(mén)的以太網(wǎng)控制器。本系統采用MCU+TCP／IP 協(xié)議 芯片相結合的接入方案。具體來(lái)說(shuō)：采用RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片，利用10Base-T布線(xiàn)標準通過(guò)雙絞線(xiàn)進(jìn)行和上位機的以太網(wǎng)通信。 RTL8019AS芯片是臺灣ReaLTEk公司的基于ISA總線(xiàn)的10Mb／s以太網(wǎng)控制器芯片，它集成了介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層（MAC）和物理層的功能，可以方便地設計基于ISA總線(xiàn)的通信系統，也可以比較簡(jiǎn)單地與單片機進(jìn)行接口。RTL8019AS內嵌TCP／IP網(wǎng)絡(luò )通信 協(xié)議 ，具有耗電量低、接口簡(jiǎn)單、程序設計量少的優(yōu)點(diǎn)，是用來(lái)進(jìn)行以太網(wǎng)接入Internet通信的理想芯片。系統上電后，MCU對RTL8019AS內部寄存器進(jìn)行設置和控制，完成復位和初始化后，就能正常地通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數據的收發(fā)，電路結構如圖3所示。

　　基于Internet的嵌入式多點(diǎn)溫度監控系統靈活性高、交互性強，可在線(xiàn)根據需要隨時(shí)修改溫度上下限值，系統設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分利用了網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與多點(diǎn)溫度監控技術(shù)相結合的方法及軟硬件協(xié)同設計的思想，采用模塊化設計，稍加裁剪改造可適用于多種不同場(chǎng)合的分布式遠程多點(diǎn)溫度智能監控系統。該系統經(jīng)實(shí)驗 測試 ，穩定可靠，測量精度高，實(shí)時(shí)性強且充分利用了現有網(wǎng)絡(luò )，利于傳統的基于RS 485溫度監控系統快速改造為以太網(wǎng)遠程智能監控系統，取得更好的社會(huì )經(jīng)濟效益。

　　TOP5 千兆位以太網(wǎng)光纖收發(fā)器應用電路

　　數據線(xiàn)互連

　　該收發(fā)器可直接與+5V PECL信號互連。發(fā)射器輸入是直流耦合至激光器驅動(dòng)電路的，亦即在輸入處，并未設置電容耦合終端電阻。激光器的驅動(dòng)電路也是直流耦合的，使各種占空比數據圖形的輸出光功率相對地平衡。如果數據具有長(cháng)又連續的狀態(tài)時(shí)間，輸出光功率則會(huì )漸漸地將其平均值改變至它的預設值。

　　在接收器部分，前置放大器與后置放大器之間是交流耦合的，而后置放大器輸出的實(shí)際數據是直流耦合至各自的輸出引腳。信號檢測輸出是單端、+5V PECL信號，也是直流耦合至它的輸出引腳。當然，在收發(fā)器與支持的物理層集成電路之間應設置正確的互連電路，圖1是推薦的接口電路。

　　電子部件符合各項有關(guān)的法規，讓用戶(hù)在使用時(shí)更安全、更可靠。靜電放電（ESD）。防止ESD損壞有兩件重要的事項。一是對ESD敏感的器件應采取相應的預防措施，采用接地的跨接線(xiàn)，操作臺和地板是防靜電的。二是機殼中暴露在外部的元件，如雙ISC連接器應符合強制性的系統級ESD測試標準。電磁干擾（EMI）。高速收發(fā)器應滿(mǎn)足抗電磁干擾要求，如美國的FCC、歐洲的CENELEC EN55022（CISPR22）、日本的VCCI等。電子部件要控制電磁輻射來(lái)減少對鄰近設備的干擾。EMI性能還依賴(lài)于機殼的設計和電路板在機殼內的正確安裝。

　　CO2128以太網(wǎng)信號轉換系統電路

　　如今，單一的信號形式已經(jīng)沒(méi)有辦法滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，網(wǎng)絡(luò )信號、USB總線(xiàn)信號、RS232總線(xiàn)信號以及CAN總線(xiàn)信號等形式是目前應用比較廣的總線(xiàn)形式， 但它們之間的互換仍然存在問(wèn)題， 一直受到復雜的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議所限。而對于網(wǎng)絡(luò )信號的轉換， 都得通過(guò)復雜的算法才能實(shí)現， 因而無(wú)法滿(mǎn)足對時(shí)實(shí)性要求較高的場(chǎng)合。

　　本文給出的基于CO2128器件的網(wǎng)絡(luò )信號轉換平臺主要通過(guò)CO2128提供的端口來(lái)實(shí)現CAN總線(xiàn)、RS232總線(xiàn)、USB總線(xiàn)及網(wǎng)絡(luò )端口間的相互轉換。設計在保證數據準確的前提下， 減少系統開(kāi)銷(xiāo)和提高速度是本設計的重點(diǎn)。通過(guò)設計，進(jìn)而能夠構成一個(gè)中型/大型的遠程監控/數據傳輸網(wǎng)絡(luò )， 其中CAN-以太網(wǎng)設備的功能是實(shí)現從CAN總線(xiàn)數據到以太網(wǎng)數據的“透明” 傳輸。本設計的總體結構如圖1所示。

　　圖1 系統總體結構框架。

　　但在設計網(wǎng)絡(luò )接口時(shí)， 要十分注意PCB板的信號線(xiàn)布局。通常要把網(wǎng)絡(luò )變壓器放在距離DM9161 和RJ45 插座盡量近的地方， 且距離DM9161不能超過(guò)20 mm; 把50Ω的終端電阻放在離網(wǎng)絡(luò )變壓器和DM9161的RX+-， TX+-引腳盡量近的地方。50歐電阻和RX、TX的接地電容需放在DM9161附近， 不能超過(guò)10 mm; 25 MHz晶體不能放在重要信號周?chē)?。從DM9161的RX到網(wǎng)絡(luò )變壓器和RJ45的走線(xiàn)必須對稱(chēng)、直接、平行并靠攏。不要走直角、走45度。布RX和TX 時(shí)， 應避免使用過(guò)孔。RX、TX、CLK和電源走線(xiàn)要求盡量短。RX和TX不能交叉， 相距要在3 mm以上，最好在之間布根地線(xiàn)。從DM9161的RX和TX對到RJ45之間不要走任何數字線(xiàn)路。要保持這兩對信號遠離其它信號和大地。在網(wǎng)絡(luò )變壓器和 RJ45下面決不能有地平面或電源平面。所有RJ45的終端引腳和網(wǎng)絡(luò )變壓器必須緊靠在一起并通過(guò)一顆電阻和0.01 uF/2 kV 電容接地。

　　BANDGAP電阻必須布在盡量靠近47和48腳旁邊。應避免讓任何高速信號位于這個(gè)電阻附近。圖2所示是本系統物理層和網(wǎng)絡(luò )接口的硬件電路。

　　圖2 物理層及網(wǎng)絡(luò )接口的硬件電路。

　　本設計中的網(wǎng)絡(luò )信號接收模塊電路和RS232轉CAN總線(xiàn)模塊電路還可以分別將信號處理后的數據直接送到顯示設備輸出。另外，本設計的可移植性較強，各個(gè)模塊電路可以分別安裝調試， 因而具有很好的靈活性。

　　TOP6 以太網(wǎng)供電應用電路設計攻略

　　以太網(wǎng)供電（PoE）是利用現有的網(wǎng)絡(luò )5類(lèi)數據電纜傳輸直流電源，在傳遞信號的同時(shí)也將電源傳遞給用電設備（PD），如IP電話(huà)、無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò )監控攝像頭等，省去了本地電源。在PoE系統中，為PD提供電源的設備叫供電設備（PSE）。PD的功耗限制在12.95W，PSE輸出功率限制為每個(gè)RJ-45端口15.4W?？紤]到沿CAT-5以太網(wǎng)線(xiàn)（最長(cháng)可達 100米）傳輸的電壓降，IEEE標準為PD和PSE規定了不同的額定功率。較長(cháng)的電纜將產(chǎn)生較大的電壓降，因此PSE的輸出電壓要高于標稱(chēng)的48V，以使PD獲得足夠的功率。

　　供電設備

　　PSE提供PD檢測、分級、限流以及電源控制功能。一個(gè)有效PD需要具備25kΩ的探測特征，PSE控制器進(jìn)行 PD檢測時(shí)，按照檢測條件用一個(gè)2.8～10V的限流電壓對信號線(xiàn)進(jìn)行探測。通過(guò)測量V-I，利用斜率計算出端口電阻，對端口連接設備做出判斷：有效 PD、開(kāi)路、低阻負載、高阻負載、大電容負載、正電源、負電源。為了避免損壞非PD設備，同時(shí)也為了防止輸出短路時(shí)損壞PSE控制器，PSE在PD檢測過(guò)程中需要限制電流，通常在2mA以?xún)?。另外，PSE還需要累計多個(gè)交流周期以便抑制50Hz/60Hz的電力線(xiàn)耦合噪聲。

　　以太網(wǎng)供電技術(shù)的最初推動(dòng)力是VoIP，由于越來(lái)越多的以太網(wǎng)設備，如RFID閱讀器、PDA充電器、移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦等可以采用這種方便的供電方式，IEEEE802.3af標準定義了五個(gè)不同的功率級別，以便PSE高效地管理功率分配。完成PD檢測后，PSE控制器將進(jìn)入PD分級模式，為端口提供15.5V～20.5V電壓，并檢測進(jìn)入端口的電流，根據表2所示IEEE 802.3af規定的PD分級標準，可確定PD的功率等級。Maxim推出的MAX5945網(wǎng)絡(luò )供電控制器可以控制四個(gè)獨立的端口，采用36引腳SSOP 封裝，能夠實(shí)現PD檢測、PD分級及AC/DC負載斷接檢測功能。圖1給出了MAX5945的典型應用電路。

　　PoE網(wǎng)絡(luò )可以采用端點(diǎn)或中跨式PSE實(shí)現。端口PSE存在于網(wǎng)絡(luò )連接的終端。對端點(diǎn)PSE和PD設備來(lái)說(shuō)，電源是通過(guò)信號線(xiàn)對兒傳輸的。因為電源已經(jīng)通過(guò)了以太網(wǎng)連接的端點(diǎn)上，這種PSE類(lèi)型提供了一種簡(jiǎn)便的PoE方案，非常適合用來(lái)布署新的基礎網(wǎng)絡(luò )。需要對現有以太網(wǎng)進(jìn)行升級時(shí)，可以用中跨PSE方式將電源插入到以太網(wǎng)中。中跨PSE可以通過(guò)CAT-5電纜中的“空閑線(xiàn)對兒”傳輸電源，如果只有幾個(gè)以太網(wǎng)設備需要供電，這是一個(gè)最具成本效益的方法。MAX5945既可用于端點(diǎn) PSE，也可用于中跨PSE，如圖2所示。

　　具有以太網(wǎng)供電能力的PD應用電路

　　對于從以太網(wǎng)供電系統獲得電源，用電設備必須符合IEEE802.3af標準規范，要求能夠提供PD檢測及可編程分級特性信號。PSE進(jìn)行PD檢測時(shí)，PD必須提供25kΩ和小于150nf的識別特征，以便PSE將PD從不需要供電的以太網(wǎng)設備中識別出來(lái)。分級特征代表PD的峰值功率損耗，要求在 PSE向端口提供PD分級檢測電壓時(shí)能夠吸收特定的電流，PD的分級電流對應于所示的5個(gè)功率等級。當端口電壓達30V～40V時(shí)，PD處于欠壓閉鎖狀態(tài)，以防產(chǎn)生檢測和分級干擾。

　　Maxim針對PD端提供了集PD接口和DC-DCPWM控制器于一體的MAX5941，可用于隔離或非隔離的反激和正激轉換器。 MAX5941A/MAX5941B的PD接口符合IEEE 802.3af標準，可以為PD提供檢測特征信號、分級特征信號和一個(gè)具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開(kāi)關(guān)，還具有寬滯后的供電模式欠壓鎖定（UVLO）以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能。在檢測和分級期間，集成的MOSFET提供PD隔離。 MAX5941A/MAX5941B保證檢測階段的泄漏電流偏差小于10μA?？删幊滔蘖鞴δ芊乐股想娖陂g產(chǎn)生很高的浪涌電流。這些器件的供電模式 UVLO具有寬滯后和長(cháng)故障消隱時(shí)間等特性，以補償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統在檢測、分級和上電/掉電諸狀態(tài)間無(wú)擾動(dòng)轉換。

　　電路分析：MAX5941A/MAX5941B 中的PWM電流模式控制器可用于設計反激式或正激式電源。電流模式簡(jiǎn)化了控制環(huán)的設計，同時(shí)提高了環(huán)路的穩定性。集成了高壓?jiǎn)?dòng)調節器允許器件直接連接至輸入電源，而無(wú)需外接啟動(dòng)電阻器。內部調節器提供的電流使控制器啟動(dòng)并開(kāi)始工作。一旦第三繞組的電壓建立起來(lái)，內部調節器就被關(guān)閉，而由第三繞組提供 PWM控制器運行所需的偏置電流。內部振蕩器被設定在275khz，并被微調至額定偏的±10%以?xún)?。允許使用比較小的磁性元件以縮小電路板空間。圖3所示為MAX5941的典型應用電路。圖中，上半部分電路用來(lái)分離出PSE輸送的-48V直流電源，兩個(gè)二極管橋整流器（DF02SA）分別從端點(diǎn)或中跨 PSE網(wǎng)絡(luò )配置中獲取電源。電阻器RDISC用于設置PD探測特征，當二極管橋的阻抗較高時(shí)，應采用較小阻值的 RDIES來(lái)進(jìn)行補償。電阻器RCL用于確定PD的分級特征。柵極電容器CGATE用于設定浪涌電流。正激式DC-DC轉換器提供5V輸出電壓。

　　TOP7 工業(yè)以太網(wǎng)交換機電源系統電路

　　目前主流的工業(yè)以太網(wǎng)交換機均采用雙電源冗余供電，輸入一般比較常見(jiàn)的輸入的電壓為直流24V、48V或者交直流110V，220V。通過(guò)模塊電源（AC-DC，或者DC-DC）隔離變換到12V，由冗余芯片合并到一路接入片上DC-DC。

　　工業(yè)以太網(wǎng)交換機片上冗余和片上DC-DC電源的選擇

　　作為用于電力配網(wǎng)或者變電站的電源，未來(lái)保證系統的絕對可靠性，一般選擇凌特、TI等廠(chǎng)家的電源芯片。LTC4352IMS#PBF和 LTC3850GN組成的冗余電源和板上DC-DC作簡(jiǎn)單的介紹。LTC4352 采用一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 產(chǎn)生一個(gè)近理想的二極管。它可替代一個(gè)高功率肖特基二極管和相關(guān)聯(lián)的散熱器，從而節省了功率和電路板面積。理想二極管功能實(shí)現了低損耗電源 “或” 和電源保持應用。LTC4352 負責調節 MOSFET 兩端的正向電壓降，以在二極管 “或” 應用中確保平滑的電流轉換?？焖俳油p小了電源切換期間的負載電壓降。如果輸入電源發(fā)生故障或被短路，則快速關(guān)斷將最大限度地減小反向電流。

　　該控制器可采用 2.9V 至 18V 的工作電源。當電壓較低時(shí)，需要在 VCC 引腳上布設一個(gè)外部電源。在欠壓或過(guò)壓條件下，電源通路被禁用。這款控制器還具有一個(gè)開(kāi)路 MOSFET 檢測電路，如果在接通狀態(tài)中傳輸晶體管兩端的電壓降過(guò)大，則該檢測電路將發(fā)出指示信號。一個(gè) REV 引腳用于啟用反向電流，在需要的時(shí)候可取代二極管的作用。

　　下面是兩片LTC4352組成雙冗余電路：

　　采用此芯片既可以實(shí)現低壓的雙冗余輸入，又可以大大的減小損耗。另外，LTC3850GN 是一款高性能、雙通道同步降壓型開(kāi)關(guān)穩壓控制器，用于驅動(dòng)全 N 溝道功率 MOSFET 級。該器件所運用的一種恒定頻率電流模式架構提供了一個(gè)高達 780kHz 的可鎖相頻率。通過(guò)使兩個(gè)控制器輸出級異相操作，最大限度地降低了功率損失和電源噪聲。OPTI-LOOP補償使得能夠在一個(gè)寬輸出電容和 ESR 數值范圍內優(yōu)化瞬態(tài)響應。LTC3850GN 具有一個(gè)精準的 0.8V 基準和一個(gè)電源良好輸出指示器。其 4V 至 30V 的寬輸入電源范圍涵蓋了大多數電池化學(xué)組成和中間總線(xiàn)電壓。

　　用于每個(gè)控制器的獨立 TK/SS 引腳負責在啟動(dòng)期間使輸出電壓斜坡上升。電流折返可以對短路條件下的 MOSFET 熱耗散加以限制。MODE/PLLIN 引腳負責在突發(fā)模式 （Burst Mode） 操作、脈沖跳躍模式或連續電感器電流模式之間進(jìn)行選擇，并允許將該 IC 同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。

　　下面由一片LTC3850GN組成的DC-DC電路圖：

　　根據板上DC電壓的路數和電流需求，可以由一片或者多片LTC3850GN組成多路DC-DC來(lái)滿(mǎn)足板上的需求。同時(shí)可以根據需求每路可以輸出0-20A的電流。

　　TOP8 雙CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)監控電路

　　目前最常用的現場(chǎng)總線(xiàn)為CAN總線(xiàn)，CAN總線(xiàn)以可靠性高、成本低、應用靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于智能通信網(wǎng)絡(luò )中，但收發(fā)器驅動(dòng)能力的限制不適合遠距離數據傳輸及遠程控制。而以太網(wǎng)技術(shù)成熟、通信速度快、軟硬件產(chǎn)品豐富和外圍技術(shù)支持全面，可以利用網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠距離通信，但在工業(yè)控制中仍然存在部分問(wèn)題尚未解決。結合CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)自身的優(yōu)缺點(diǎn)，本文研究了適用于船舶監控系統基于雙CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)的現場(chǎng)監控模塊，該模塊可安裝于配電開(kāi)關(guān)柜內，能夠就近進(jìn)行電流、電壓及開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息的采集，獨立進(jìn)行數據處理，實(shí)現測量、保護、控制等功能。能夠通過(guò)冗余雙CAN總線(xiàn)與其他智能節點(diǎn)進(jìn)行通信，并且通過(guò)以太網(wǎng)上傳重要數據給監控臺，協(xié)助監控臺完成監測和控制功能。作為配電網(wǎng)絡(luò )與監控網(wǎng)絡(luò )連接的紐帶，具有很好的開(kāi)發(fā)應用前景。

　　在現場(chǎng)監控模塊中，大量的現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據需要采集和處理，并及時(shí)、迅速地向集中監控臺傳輸，即向集中監控臺提供整個(gè)控制過(guò)程的具體數據，同時(shí)還要完成判斷處理并通過(guò)輸出模塊發(fā)送各種控制命令，考慮到其功能復雜程度，采用了DSP+FPGA雙控制器的硬件方案，其硬件結構原理參見(jiàn)圖1。

　　1） A/D芯片 該系統采用AD7865作為A/D芯片，該芯片為高速14位A/D轉換器，同時(shí)采樣4個(gè)輸入通道，并具有4個(gè)采樣、保持放大器。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠真正實(shí)現多路信號的同步采樣，并保持各通道信號的相位關(guān)系。具有片內時(shí)鐘、讀寫(xiě)允許邏輯、多種通道選擇方式以及內部精確的2.5V參考電壓，使得其與高速處理器的接口變得非常簡(jiǎn)單。本系統共配置了4片AD7865，能同步采樣多達16路模擬量數據。

　　2） 電磁隔離 所有開(kāi)關(guān)量的輸入輸出均采用電磁隔離技術(shù)，可有效提高抗干擾能力，本系統選擇了16片4路集成電磁隔離芯片ADUM1410，使得該模塊能同時(shí)完成多達32輸入，32路輸出的數據采集。

　　3） FPGA 該系統以EP1C6PQ240作為系統的輔控制芯片，該芯片有5980個(gè)邏輯單元，嵌入式存儲塊有一列M4K塊，每個(gè)M4K塊可以組成各種存儲器，包括雙端口、單端口RAM、ROM和FIFO等，I/O單元包含一個(gè)雙向I/O緩沖器和三個(gè)寄存器，具有2個(gè)鎖相環(huán)和8個(gè)獨立系統時(shí)鐘，芯片管腳數為240個(gè)， 可用管腳數為185個(gè)。FPGA主要完成數據輸入輸出控制及數據預處理功能。所有的開(kāi)關(guān)量信號送入FPGA，所有的模擬量信號經(jīng)A/D芯片轉換為數字信號后也送入FPGA，FPGA需要向A/D芯片提供控制信號來(lái)控制A/D芯片的讀寫(xiě)，所有的數據由FPGA預處理后供DSP讀取。

　　4） DSP 該系統以TMS320LF28335作為主控制芯片［4~5］，該芯片為低功耗、高性能的32位芯片，其內部集成了多種功能模塊，不但包括多種通信接口， 且同一種通信接口的數量不止一個(gè)，如SCI串口有3個(gè)，CAN口有2個(gè)，只需增加簡(jiǎn)單的外圍器件即可實(shí)現擴展功能。DSP主要完成數據處理、邏輯控制及通訊功能。由于FPGA已將大量數據做了預處理，且本系統中DSP與FPGA的16位地址線(xiàn)和16位數據線(xiàn)均相連，采用并行數據傳輸，DSP只要通過(guò)簡(jiǎn)單的指令即可快速讀取所需要的開(kāi)關(guān)量和模擬量值，為狀態(tài)監控及故障診斷功能提供基礎。

　　5） CAN通信 大多數嵌有CAN控制器的控制芯片只有一個(gè)CAN控制器，如果希望系統具有雙CAN接口，則需要外接一個(gè)CAN控制芯片，增加了硬件成本，電路結構更復雜。

　　而本系統使用的DSP芯片中嵌有兩個(gè)CAN控制器，因此只要將兩個(gè)CAN控制器分別外接CAN驅動(dòng)器就可以實(shí)現與兩條獨立的CAN總線(xiàn)連接。圖2以 CANA為例顯示了TMS320LF28335的CAN通信接口電路，CANB的電路設計與此相同。CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250是驅動(dòng)CAN控制器和物理總線(xiàn)間的接口，提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。利用高速光耦6N137，實(shí)現收發(fā)信號的隔離和DSP與82C250之間的電平匹配。

　　6） 以太網(wǎng)通信 本系統選用了W5100作為以太網(wǎng)接入芯片。W5100包含了TCP/IP、UDP等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和DLC、MAC以太網(wǎng)協(xié)議。它提供多種總線(xiàn)，包括兩種并行總線(xiàn)以及SPI串行總線(xiàn)等接口方式。內置16KB數據緩沖雙口RAM，可快速進(jìn)行數據交換。圖3為以太網(wǎng)通信接口電路圖。

　　W5100供電電壓為3.3V和1.8V，其中1.8V可由芯片內部線(xiàn)性穩壓電源產(chǎn)生，外接濾波電路后供回芯片。L1、L2均為1μH的電感，C3、 C4均為0.1μF的電容。根據 W5100的工作頻率要求，需在XTLP和XTLN引腳間接25MHz晶振及接地電容C1和C2，均為22pF。W5100的內部模擬電路需要在 RSET_BG引腳與地之間外接精度為1%的電阻R4和R5，阻值分別為12k和300Ω。為了實(shí)現電氣隔離，消除部分諧波（根據結構的不同可以消除不同次的諧波），有效降低零地電壓，需要在W5100與外部接口之間接網(wǎng)絡(luò )變壓器。本系統網(wǎng)絡(luò )變壓器選11FB-05NL，網(wǎng)絡(luò )變壓器的RXPI與RXIN、 TXOP與TXON各需要2個(gè)51Ω（精度為1%）的電阻和1個(gè)0.1μF的電容與特定端相連。DSP通過(guò)片選信號DSP_CS選中W5100芯片，通過(guò)直接總線(xiàn)模式讀（/WR）、寫(xiě)（/RD）信號和數據（DATA）、地址（ADDR）總線(xiàn)可以簡(jiǎn)單的將W5100看做一個(gè)外部存儲器來(lái)實(shí)施控制。

　　設計了現場(chǎng)監控模塊可應用于船舶配電網(wǎng)絡(luò )中的開(kāi)關(guān)柜或重要設備，配電單元內所有電壓、電流、開(kāi)關(guān)狀態(tài)量等利用現場(chǎng)監控模塊就地采集及處理，節省了大量電纜，減輕了集中監控臺的控制負擔，雙冗余CAN及以太網(wǎng)等通信接口，使其與集中監控臺的通信變得便利而可靠，為整個(gè)監控系統采取靈活而簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構提供基礎，具有廣泛的應用前景。