基于TPS2384的PSE設計與實(shí)現

摘要： 用MSP430F148單片機和TPS2384以太網(wǎng)供電管理芯片，開(kāi)發(fā)了符合IEEE802.3af標準的以太網(wǎng)供電設備，著(zhù)重論述了該以太網(wǎng)供電設備的系統設計實(shí)現過(guò)程。

關(guān)鍵詞： 以太網(wǎng)供電；供電設備；MSP430F148；TPS2384；I2C-BUS

引言

以太網(wǎng)電源技術(shù)標準IEEE 802.3af對路由器、交換機和集線(xiàn)器等網(wǎng)絡(luò )設備通過(guò)以太網(wǎng)電纜向IP電話(huà)、安全系統以及WLAN接入點(diǎn)等設備提供電源的方式進(jìn)行了規定。

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(guò)一條標準的以太網(wǎng)線(xiàn)纜提供直流電源并傳輸數據，可以廣泛應用于以太網(wǎng)交換機、路由器、集線(xiàn)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。本設計主要基于TPS2384設計出符合IEEE802.3af標準的供電設備。

IEEE802.3af標準

IEEE802.3af標準定義了一種允許通過(guò)以太網(wǎng)在傳輸數據的同時(shí)輸送48V直流電源的方法,它將以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)引入到現有的網(wǎng)絡(luò )基礎設施中，和原有的網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)纜，并實(shí)施功率的規劃和管理。IEEE802.3af標準定義了端接式和中跨式兩種類(lèi)型的PSE，端接式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CAT－5線(xiàn)纜的信號線(xiàn)對或備用線(xiàn)對上傳輸電源；中跨式 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(luò )終端設備中分離出48V電源和數據信號，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(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)維持功率特征發(fā)送持續工作信號。

硬件體系結構與組成

在PoE系統中，PSE是主要部分。PSE除了完成上述電源管理功能外，在一些特殊應用場(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 PSE系統硬件體系結構圖

系統主要由電源模塊、電源轉換電路、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(guò)I2C-BUS對TPS2384內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，從而完成電源管理功能；通過(guò)模式設置信號線(xiàn)來(lái)設置TPS2384的工作模式；通過(guò)出錯中斷信號線(xiàn)獲得來(lái)自于TPS2384的出錯中斷信號，從而通過(guò)復位信號線(xiàn)對TPS2384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，這樣就可以對系統進(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，系統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中各個(gè)器件提供工作電壓，系統工作時(shí)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(guò)轉換后提供工作電壓。

圖2 PSE運行控制流程圖

電源模塊：采用220V轉+48V的開(kāi)關(guān)電源模塊，由于一個(gè)TPS2384可以對四個(gè)以太網(wǎng)口進(jìn)行供電管理，I2C-BUS上可以?huà)燧d多個(gè)TPS2384，因此，可以根據實(shí)際情況來(lái)選擇電源模塊的功率。TPS2384工作時(shí)只需要外部單獨的＋48V供電，這直接由電源模塊提供；
電源轉換電路：本設計采用電源轉換芯片LM2575HVS-5.0將+48V轉換為+5V,經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3將+5V轉換為MSP430F148工作時(shí)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規范的以太網(wǎng)供電管理器，TPS2384運行時(shí)內部工作所需要的10V、6.3V和3.3V由外部的+48V產(chǎn)生。TPS2384內部有一個(gè)15位的A/D轉換器，用來(lái)測量每個(gè)口的電阻、電壓、電流。TPS2384具有標準的I2C-BUS， MSP430F148通過(guò)I2C通信完成高級電源管理功能。TPS2384具有三種工作模式：自動(dòng)模式(AM)、半自動(dòng)模式(SAM)和供電管理模式(PMM)。在A(yíng)M模式下，TPS2384自動(dòng)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(jìn)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(kāi)；在SAM模式下，可以通過(guò)I2C總線(xiàn)來(lái)獲得TPS2384內部所有讀寄存器和A/D寄存器的內容，可以不需要微控制器的控制而自動(dòng)檢測有效的PD；在PMM模式下，可以執行優(yōu)越的AC斷路檢測，可以實(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TPS2384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。

圖3  以太網(wǎng)供電設備在EPA系統中的應用示意圖

TPS2384有五位有效的地址設置位，作為I2C-BUS的從設備，可以通過(guò)外部地址設置電路來(lái)設置TPS2384的地址。

TPS2384需要在每個(gè)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(guān)的顯示各個(gè)端口的工作狀態(tài)。

在PMM模式下，可以通過(guò)設置TPS2384的內部寄存器配合外部的的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。

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CP2102

CP2102是一款高集成度的專(zhuān)用通訊芯片，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)單的實(shí)現UART到USB間的橋接，從而為系統添加USB通信接口。

軟件設計與實(shí)現

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。

PSE運行控制程序

PSE運行控制程序主要完成系統初始化、對TPS2384進(jìn)行控制、與PC通信和對數據進(jìn)行封裝與解析等功能。如圖2所示，當沒(méi)有與PC連接時(shí)，將設置TPS2384工作在A(yíng)M模式下，TPS2384將自主運行，此時(shí)將不能夠得到各個(gè)供電端口的具體運行數據，只能通過(guò)狀態(tài)顯示電路中的LED顯示各個(gè)端口的運行狀態(tài)；當與PC連接時(shí)，系統將按照用戶(hù)的要求將TPS2384設置為相應的工作模式，此時(shí)系統將能夠采集到各個(gè)端口的運行參數，在SAM和PMM模式下，系統將可以按照用戶(hù)的設置部分或者完全對各個(gè)端口的供電進(jìn)行控制。監控過(guò)程是通過(guò)對TPS2384各端口寄存器的讀寫(xiě)操作來(lái)實(shí)現的。
 
系統初始化

系統時(shí)鐘初始化：選擇8MHz時(shí)鐘XT2作為主時(shí)鐘的時(shí)鐘源，選擇DCO為子時(shí)鐘的時(shí)鐘源。

I/O口初始化：將P3.3設置為輸出用來(lái)作為驅動(dòng)蜂鳴器的信號；P4.0設置為輸出作為T(mén)PS2384的模式選擇信號；P4.2設置為輸出作為T(mén)PS2384的復位信號；P4.1設置為輸入作為T(mén)PS2384的出錯中斷輸入信號；
串口初始化：MSP430F148通過(guò)UART1與CP2102通信，UART1設置如下：發(fā)送字符位數為8位；發(fā)送/接收速率為9600；選擇輔助時(shí)鐘ACLK作為波特率發(fā)生器的時(shí)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(shí)現

在MSP430F148中，沒(méi)有標準的I2C-BUS通信模塊，因此，需要將I2C-BUS通信規范中的SDA和SCL通過(guò)P3.0和P3.2用軟件來(lái)模擬實(shí)現，完成I2C-BUS的讀寫(xiě)操作。

I2C-BUS寫(xiě)操作：I2C-BUS的寫(xiě)函數void WriteI2C(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(xiě)函數由I2CInit()、 I2CStart()、I2CSent(unsigned char data)、I2CReceiveAck()、I2CReceiveAck()、I2CReceiveAck()、I2CStop()和delay()子函數組成，I2C-BUS的寫(xiě)函數完成向指定的TPS2384內部寄存器中寫(xiě)入控制信息。

I2C-BUS的讀操作：I2C-BUS的讀函數void ReadI2C(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，讀函數由I2CInit()、I2CStart()、I2CSent()、I2CReceiveAck()、I2CSent(unsigned char data)、Rec_dat()、I2CSentNAck()、I2CReceiveAck() 、I2CStop()和delay()子函數組成，由這些子函數共同完成I2C-BUS的讀時(shí)序。

PSE終端監控程序

PSE終端監控程序主要完成對各個(gè)供電端口的實(shí)時(shí)監控功能，由于使用了USB橋接芯片CP2102，在邏輯上監控程序只要完成串口通信就可以了，各種控制數據將通過(guò)終端監控程序來(lái)設置，同時(shí)采集到的各個(gè)供電端口的實(shí)時(shí)工作參數也將直觀(guān)顯示在監控程序上，終端監控程序實(shí)現了對供電的高級管理功能。

以太網(wǎng)供電設備在EPA系統中的應用

EPA系統是一種用于工業(yè)測量與控制的分布式工業(yè)自動(dòng)化以太網(wǎng)，它將分布在工業(yè)現場(chǎng)的設備連接起來(lái)，通過(guò)EPA系統完成對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監控，EPA系統支持以太網(wǎng)供電技術(shù)。在實(shí)際應用中我們將PSE系統和集線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、Zigbee接入點(diǎn)和有線(xiàn)閥門(mén)定位器為合法的PD后，將執行可選的分級操作，之后將向它們提供工作所需的+48V最大13W的電力，同時(shí)傳輸EPA監控上位機的監控數據，使得它們能夠正常工作，對各個(gè)端口供電情況的監控由監控PC上的PSE終端監控軟件完成。

結語(yǔ)

本設計采用MSP430F148單片機和以太網(wǎng)供電管理器TPS2384開(kāi)發(fā)了符合以太網(wǎng)供電標準IEEE802.3af的可監控高級以太網(wǎng)供電管理系統。該系統在EPA系統應用中有良好的使用效果，在實(shí)際應用中也可以根據需要進(jìn)行簡(jiǎn)化從而降低成本。

參考文獻：
1.    IEEE Std 802.3af-2003, 18 June 2003
2.    魏小龍編著(zhù), MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統設計實(shí)例, 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002
3.    SLU6234B, TPS2384 datasheet, Texas Instruments, May 2005
4.    SLAS272F, MSP430F148 MCU datasheet, Texas Instruments, June 2004