以太網(wǎng)電子電路設(shè)計圖集錦TOP8—電路圖天天讀（95）

　　TOP1 ARM7內(nèi)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ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2148，集成度非常高。內(nèi)嵌40kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512kB的片內(nèi) Flash存儲器，片內(nèi)集成ADC、DAC轉(zhuǎn)換器，看門狗，實時時鐘RTC，2個UART，2個I2C還有SPI等多個總線接口，及USB2.0全速接口。方便擴展USB接口、JTAG調(diào)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。而且電路相對簡單，降低了開發(fā)和生產(chǎn)的成本。芯片可以實現(xiàn)最高60MHz的工作頻率，有著較強的功能，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)μC/OS—II及人性化的人機界面的要求。本設(shè)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6種波長的LED。多波長的設(shè)計使得測量更有針對性，測量數(shù)據(jù)更有效。我們的設(shè)計能夠通過CCD測量的每個LED的亮度，然后由 LPC2148通過點校正功能控制通過LED電流的大小，從而使LED之間的亮度保持一致，進一步提高測量的準確性。本設(shè)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、線陣CCD傳感器、運算放大器和高精度AD轉(zhuǎn)換器。

　　智能門禁控制以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

　　數(shù)字安防系統(tǒng)綜合利用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)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?qū)崿F(xiàn)社區(qū)各種安防信息的采集、處理、傳輸、顯示和高度集成共享。數(shù)字安防系統(tǒng)包括門禁、CCTV視頻監(jiān)控及防盜報警3個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)通過監(jiān)控網(wǎng)、信息網(wǎng)、電話網(wǎng)、電視網(wǎng)等不同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，達到協(xié)調(diào)運行、綜合管理的目的。

　　智能門禁控制系統(tǒng)由上位機、控制器、讀卡器、電鎖、門磁、識別卡和出門按鈕等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 門禁控制系統(tǒng)示意圖

　　門禁控制系統(tǒng)的工作過程是：從控制中心即上位機經(jīng)通信接口向控制器傳輸事先設(shè)置好的各項運行參數(shù)，如使用人員信息、出/入門方式等，完成系統(tǒng)初始化工作；通常情況下門禁控制器處于等待狀態(tài)，當有人刷卡時讀卡器通過標準的Wiegand接口將卡號傳輸?shù)介T禁控制器，控制器中采集數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序?qū)斍翱ㄌ?、卡片狀態(tài)、當前時間、控制模式等信息與初始化信息進行比較，得出準許與否的結(jié)果，該結(jié)果又被送到讀卡器中，向讀卡人發(fā)出聲光指示。當比較結(jié)果為準許時，控制器通過繼電器驅(qū)動電控鎖使之退出鎖門狀態(tài)。依據(jù)以上工作過程設(shè)計出的門禁控制器總體框架如圖2所示。

　　圖2 門禁控制器總體結(jié)構(gòu)

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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)時代！

　　TOP2 智能門禁控制器以太網(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(tǒng)必須要有以太網(wǎng)接口電路才能發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特長。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(nèi)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(shù)據(jù)總線；內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖；全雙工，收發(fā)同時達到10Mb/s；支持10Base5、10Base2、10BaseT，并能自動檢測所連接的介質(zhì)。數(shù)據(jù)的發(fā)送校驗，總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測與避免是由 RTL8019AS自己完成的。設(shè)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(zhuǎn)換電路設(shè)計圖

　　本文提出一種基于LC2294 處理器的泵艙信號轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)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(zhuǎn)化為0～1.6 MPa 壓力信號，當壓力信號超過設(shè)定門限后進行壓力超限光報警，轉(zhuǎn)化誤差≤0.01 MPa，同時壓力數(shù)據(jù)通過10/100 Mbit·s-1 自適應(yīng)雙冗余以太網(wǎng)上傳到上位機，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率≥5 次/s。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　本設(shè)計中采用標準5 V 電源對AD7888 進行供電，并將已轉(zhuǎn)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 的控制信號需要進行電平轉(zhuǎn)換，這才能穩(wěn)定的對AD7888 進行控制。設(shè)計中使用74LVC245 進行電平轉(zhuǎn)換，將來自LPC2294 芯片的片選信號、時鐘信號以及數(shù)據(jù)輸入信號送入74LVC245，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后分別輸入給AD7888。因LPC2294 可承受5 V 電壓，所以將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)直接送入LPC2294 的P0.28 引腳。其具體電路如圖2 所示。

　　圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　以太網(wǎng)接口電路設(shè)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(shè)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(tǒng)設(shè)計為兩個網(wǎng)口，一個主網(wǎng)口，另一個為冗余網(wǎng)口。系統(tǒng)中LPC2294 與DM9000E 采用16 位總線方式進行控制連接，并將其設(shè)定在100 MHz 全雙工模式下。通過對LPC2294 的CS2、CS3 引腳進行控制以實現(xiàn)輸出片選信號對兩個網(wǎng)口進行選擇。電路設(shè)計方面將CS2、CS3 與74HC245 的引腳A2、A1 進行連接，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DM9000E 芯片的CMD 引腳與LPC2294 的A2 相連。可將主網(wǎng)卡芯片和冗余網(wǎng)卡芯片的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換電路設(shè)計，該設(shè)計方便對船用泵的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以達到對異常狀態(tài)的提前預(yù)警。設(shè)計以ARM7 系列LPC2294 為核心控制器，配合其他芯片實現(xiàn)了將壓力傳感器輸出的壓力數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡傳送至以太網(wǎng)的通信功能。并通過實驗驗證了信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性。此外，針對自動化采集技術(shù)的誤判問題，下一步的研究方向可將采集到的數(shù)據(jù)進行有效地數(shù)據(jù)融合，用以提高數(shù)據(jù)準確性，并減少誤判的發(fā)生。

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

　　提出一種工業(yè)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)方法，介紹以太網(wǎng)與CAN 現(xiàn)場總線之間協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)，采用AT89C55 作為主處理器，通過兩個接口芯片實現(xiàn)CAN總線與以太網(wǎng)的互連，分別給出其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計思想。目前，對于CAN 和以太網(wǎng)相連的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計主要有兩種方法：一種是低檔MCU 加接口芯片的設(shè)計方法，另一種是高檔MCU 加EOS（實時多任務(wù)操作系統(tǒng)）再加接口芯片的設(shè)計方法。因CAN 只采用了ISO／OSI 參考模型的一、二層，協(xié)議相對簡單，比較適合用于低成本、速率要求不高的離散控制系統(tǒng)。從合理的成本和有效利用處理能力這兩方面考慮，該設(shè)計采用低檔 MCU 加接口芯片的方法，其硬件框圖見圖。

　　主控芯片及以太網(wǎng)接口模塊

　　根據(jù)要求，該系統(tǒng)選擇了性能價格比較高的AT89C55 單片機。它是面向測控對象和嵌入式應(yīng)用的，所以它的體系結(jié)構(gòu)以及CPU、指令系統(tǒng)、外圍單元電路都是按照這種要求專門設(shè)計的。它內(nèi)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 方便了使用者進行在線編程，工作速率最高可達33 MHz，256 B 的內(nèi)部RAM，32 個可編程的I／O口，3 個16 位的定時／計數(shù)器，8 個中斷源，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，能實現(xiàn)以太網(wǎng)媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。RTL8019AS 內(nèi)部有兩個RAM 區(qū)域：一是16 KB，地址為0x4000～0x7fff，要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包必須通過DMA 讀寫RTL8019AS 內(nèi)部的16 KB 的RAM，它實際上是雙端口RAM，即有兩條總線與其連接，一條總線用于RTL8019AS讀／寫或?qū)懀x該RAM，即本地DMA；另一條總線用于單片機讀或?qū)懺揜AM，即遠程DMA；二是32 個字節(jié)，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圖2。值得注意的是由于以太網(wǎng)的包最大可以超過1 500 個字節(jié)，AT89C55 的片內(nèi)RAM 只有256 個字節(jié)，因此無法存儲這么大的包，所以這里擴展了一個32 KB 的外部RAM，這樣同時也能提高單片機的數(shù)據(jù)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(tǒng)的主要器件是CAN 控制器和收發(fā)器。該設(shè)計中，CAN 接口模塊選用SJA1000 芯片和PCA82C250 芯片。SJA1000 是一個獨立的CAN 控制器，它是Philips 公司另一個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，實現(xiàn)報文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗等。PCA82C250 是CAN 控制器與物理總線之間的接口，主要用于增強系統(tǒng)的驅(qū)動能力。采用收發(fā)器的系統(tǒng)中，節(jié)點數(shù)至少可以達到110 個，同時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(shè)計方案，通過實際應(yīng)用證明，該設(shè)計可以作為CAN 總線節(jié)點的一個模塊，能夠與儀器儀表等設(shè)備相結(jié)合，使其具有網(wǎng)絡(luò)通信的能力，比較同類產(chǎn)品的設(shè)計，該設(shè)計能大大提高其性價比。

　　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(nèi)正確操作，穩(wěn)壓管VR31在輸入電壓低于11 V時禁止分級電路。通過R33和Q31基極-射極電壓的一起作用，Q32、Q31和R32形成一個350 mA的偏置電流源。通過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(wěn)壓管VR32導(dǎo)通時（當輸入電壓超過大約28 V時），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(yīng)用中PoE越來越被廣泛采用。典型用電設(shè)備方案如圖1所示，包括了一個PoE接口電路和DPASwitch，DC-DC轉(zhuǎn)換器框圖，PoE規(guī)格要求PD完成三個功能：檢測、分級和通路開關(guān)。當輸入電壓從2.5 V上升到10 V時，開始進入檢測，PD內(nèi)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，開始進入分級。在這個階段，發(fā)送裝置通過監(jiān)控PD所吸收的電流量來決定PD的級別。對于1、2和3級，分級電流（ICL）通過電阻R34設(shè)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(shù)據(jù) 存儲 器24C04、穩(wěn)壓電源、時鐘振蕩電路、蜂鳴器、鍵盤矩陣和由繼電器控制的空調(diào)機等組成。MCU采用8位C51單片機AT89S52，片內(nèi)含8 KB的E2PROM和256 B的RAM。該處理控制模塊的工作過程為：上電完成初始化后，MCU讀取存儲在外存24C04中的上次已設(shè)置好的溫度上下限值和保存的采樣間隔值，然后進入主循環(huán)。根據(jù)采樣間隔時間，MCU讀取各數(shù)字溫度傳感器DS1825內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，同時點亮LCD以便顯示當前所測溫度值，并根據(jù)已設(shè)置好的溫度上下限值來確定是否驅(qū)動蜂鳴器報警且控制空調(diào)機工作進行溫度調(diào)節(jié)。本模塊有良好的交互性能，利用鍵盤中斷可在線隨時設(shè)置溫度上下限值、采樣間隔時間值并可將這些數(shù)據(jù)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(tǒng)接入Internel網(wǎng)絡(luò)，必須解決以太網(wǎng)的接入問題，就要用到專門的以太網(wǎng)控制器。本系統(tǒng)采用MCU+TCP／IP 協(xié)議 芯片相結(jié)合的接入方案。具體來說：采用RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片，利用10Base-T布線標準通過雙絞線進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總線的10Mb／s以太網(wǎng)控制器芯片，它集成了介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的功能，可以方便地設(shè)計基于ISA總線的通信系統(tǒng)，也可以比較簡單地與單片機進行接口。RTL8019AS內(nèi)嵌TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信 協(xié)議 ，具有耗電量低、接口簡單、程序設(shè)計量少的優(yōu)點，是用來進行以太網(wǎng)接入Internet通信的理想芯片。系統(tǒng)上電后，MCU對RTL8019AS內(nèi)部寄存器進行設(shè)置和控制，完成復(fù)位和初始化后，就能正常地通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　基于Internet的嵌入式多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)靈活性高、交互性強，可在線根據(jù)需要隨時修改溫度上下限值，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中充分利用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多點溫度監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的方法及軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，采用模塊化設(shè)計，稍加裁剪改造可適用于多種不同場合的分布式遠程多點溫度智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)實驗 測試 ，穩(wěn)定可靠，測量精度高，實時性強且充分利用了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，利于傳統(tǒng)的基于RS 485溫度監(jiān)控系統(tǒng)快速改造為以太網(wǎng)遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，取得更好的社會經(jīng)濟效益。

　　TOP5 千兆位以太網(wǎng)光纖收發(fā)器應(yīng)用電路

　　數(shù)據(jù)線互連

　　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(qū)動電路的，亦即在輸入處，并未設(shè)置電容耦合終端電阻。激光器的驅(qū)動電路也是直流耦合的，使各種占空比數(shù)據(jù)圖形的輸出光功率相對地平衡。如果數(shù)據(jù)具有長又連續(xù)的狀態(tài)時間，輸出光功率則會漸漸地將其平均值改變至它的預(yù)設(shè)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際數(shù)據(jù)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(yīng)設(shè)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(guī)，讓用戶在使用時更安全、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(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)防措施，采用接地的跨接線，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(yīng)符合強制性的系統(tǒng)級ESD測試標準。電磁干擾（EMI）。高速收發(fā)器應(yīng)滿足抗電磁干擾要求，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減少對鄰近設(shè)備的干擾。EMI性能還依賴于機殼的設(shè)計和電路板在機殼內(nèi)的正確安裝。

　　CO2128以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路

　　如今，單一的信號形式已經(jīng)沒有辦法滿足實際工程的需要，網(wǎng)絡(luò)信號、USB總線信號、RS232總線信號以及CAN總線信號等形式是目前應(yīng)用比較廣的總線形式， 但它們之間的互換仍然存在問題， 一直受到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所限。而對于網(wǎng)絡(luò)信號的轉(zhuǎn)換， 都得通過復(fù)雜的算法才能實現(xiàn)， 因而無法滿足對時實性要求較高的場合。

　　本文給出的基于CO2128器件的網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換平臺主要通過CO2128提供的端口來實現(xiàn)CAN總線、RS232總線、USB總線及網(wǎng)絡(luò)端口間的相互轉(zhuǎn)換。設(shè)計在保證數(shù)據(jù)準確的前提下， 減少系統(tǒng)開銷和提高速度是本設(shè)計的重點。通過設(shè)計，進而能夠構(gòu)成一個中型/大型的遠程監(jiān)控/數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)， 其中CAN-以太網(wǎng)設(shè)備的功能是實現(xiàn)從CAN總線數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的“透明” 傳輸。本設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架。

　　但在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)接口時， 要十分注意PCB板的信號線布局。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10 mm; 25 MHz晶體不能放在重要信號周圍。從DM9161的RX到網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45的走線必須對稱、直接、平行并靠攏。不要走直角、走45度。布RX和TX 時， 應(yīng)避免使用過孔。RX、TX、CLK和電源走線要求盡量短。RX和TX不能交叉， 相距要在3 mm以上，最好在之間布根地線。從DM9161的RX和TX對到RJ45之間不要走任何數(shù)字線路。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(yīng)避免讓任何高速信號位于這個電阻附近。圖2所示是本系統(tǒng)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(shè)計中的網(wǎng)絡(luò)信號接收模塊電路和RS232轉(zhuǎn)CAN總線模塊電路還可以分別將信號處理后的數(shù)據(jù)直接送到顯示設(shè)備輸出。另外，本設(shè)計的可移植性較強，各個模塊電路可以分別安裝調(diào)試， 因而具有很好的靈活性。

　　TOP6 以太網(wǎng)供電應(yīng)用電路設(shè)計攻略

　　以太網(wǎng)供電（PoE）是利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)5類數(shù)據(jù)電纜傳輸直流電源，在傳遞信號的同時也將電源傳遞給用電設(shè)備（PD），如IP電話、無線接入點及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控攝像頭等，省去了本地電源。在PoE系統(tǒng)中，為PD提供電源的設(shè)備叫供電設(shè)備（PSE）。PD的功耗限制在12.95W，PSE輸出功率限制為每個RJ-45端口15.4W?？紤]到沿CAT-5以太網(wǎng)線（最長可達 100米）傳輸?shù)碾妷航?，IEEE標準為PD和PSE規(guī)定了不同的額定功率。較長的電纜將產(chǎn)生較大的電壓降，因此PSE的輸出電壓要高于標稱的48V，以使PD獲得足夠的功率。

　　供電設(shè)備

　　PSE提供PD檢測、分級、限流以及電源控制功能。一個有效PD需要具備25kΩ的探測特征，PSE控制器進行 PD檢測時，按照檢測條件用一個2.8～10V的限流電壓對信號線進行探測。通過測量V-I，利用斜率計算出端口電阻，對端口連接設(shè)備做出判斷：有效 PD、開路、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(shè)備，同時也為了防止輸出短路時損壞PSE控制器，PSE在PD檢測過程中需要限制電流，通常在2mA以內(nèi)。另外，PSE還需要累計多個交流周期以便抑制50Hz/60Hz的電力線耦合噪聲。

　　以太網(wǎng)供電技術(shù)的最初推動力是VoIP，由于越來越多的以太網(wǎng)設(shè)備，如RFID閱讀器、PDA充電器、移動電話、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控制器將進入PD分級模式，為端口提供15.5V～20.5V電壓，并檢測進入端口的電流，根據(jù)表2所示IEEE 802.3af規(guī)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獨立的端口，采用36引腳SSOP 封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用電路。

　　PoE網(wǎng)絡(luò)可以采用端點或中跨式PSE實現(xiàn)。端口PSE存在于網(wǎng)絡(luò)連接的終端。對端點PSE和PD設(shè)備來說，電源是通過信號線對兒傳輸?shù)摹Ｒ驗殡娫匆呀?jīng)通過了以太網(wǎng)連接的端點上，這種PSE類型提供了一種簡便的PoE方案，非常適合用來布署新的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。需要對現(xiàn)有以太網(wǎng)進行升級時，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CAT-5電纜中的“空閑線對兒”傳輸電源，如果只有幾個以太網(wǎng)設(shè)備需要供電，這是一個最具成本效益的方法。MAX5945既可用于端點 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(yīng)用電路

　　對于從以太網(wǎng)供電系統(tǒng)獲得電源，用電設(shè)備必須符合IEEE802.3af標準規(guī)范，要求能夠提供PD檢測及可編程分級特性信號。PSE進行PD檢測時，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(shè)備中識別出來。分級特征代表PD的峰值功率損耗，要求在 PSE向端口提供PD分級檢測電壓時能夠吸收特定的電流，PD的分級電流對應(yīng)于所示的5個功率等級。當端口電壓達30V～40V時，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(zhuǎn)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具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開關(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具有寬滯后和長故障消隱時間等特性，以補償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統(tǒng)在檢測、分級和上電/掉電諸狀態(tài)間無擾動轉(zhuǎn)換。

　　電路分析：MAX5941A/MAX5941B 中的PWM電流模式控制器可用于設(shè)計反激式或正激式電源。電流模式簡化了控制環(huán)的設(shè)計，同時提高了環(huán)路的穩(wěn)定性。集成了高壓啟動調(diào)節(jié)器允許器件直接連接至輸入電源，而無需外接啟動電阻器。內(nèi)部調(diào)節(jié)器提供的電流使控制器啟動并開始工作。一旦第三繞組的電壓建立起來，內(nèi)部調(diào)節(jié)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(nèi)部振蕩器被設(shè)定在275khz，并被微調(diào)至額定偏的±10%以內(nèi)。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(yīng)用電路。圖中，上半部分電路用來分離出PSE輸送的-48V直流電源，兩個二極管橋整流器（DF02SA）分別從端點或中跨 PSE網(wǎng)絡(luò)配置中獲取電源。電阻器RDISC用于設(shè)置PD探測特征，當二極管橋的阻抗較高時，應(yīng)采用較小阻值的 RDIES來進行補償。電阻器RCL用于確定PD的分級特征。柵極電容器CGATE用于設(shè)定浪涌電流。正激式DC-DC轉(zhuǎn)換器提供5V輸出電壓。

　　TOP7 工業(yè)以太網(wǎng)交換機電源系統(tǒng)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，輸入一般比較常見的輸入的電壓為直流24V、48V或者交直流110V，220V。通過模塊電源（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，未來保證系統(tǒng)的絕對可靠性，一般選擇凌特、TI等廠家的電源芯片。LTC4352IMS#PBF和 LTC3850GN組成的冗余電源和板上DC-DC作簡單的介紹。LTC4352 采用一個外部 N 溝道 MOSFET 產(chǎn)生一個近理想的二極管。它可替代一個高功率肖特基二極管和相關(guān)聯(lián)的散熱器，從而節(jié)省了功率和電路板面積。理想二極管功能實現(xiàn)了低損耗電源 “或” 和電源保持應(yīng)用。LTC4352 負責(zé)調(diào)節(jié) MOSFET 兩端的正向電壓降，以在二極管 “或” 應(yīng)用中確保平滑的電流轉(zhuǎn)換。快速接通減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，需要在 VCC 引腳上布設(shè)一個外部電源。在欠壓或過壓條件下，電源通路被禁用。這款控制器還具有一個開路 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大，則該檢測電路將發(fā)出指示信號。一個 REV 引腳用于啟用反向電流，在需要的時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現(xiàn)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關(guān)穩(wěn)壓控制器，用于驅(qū)動全 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(gòu)提供了一個高達 780kHz 的可鎖相頻率。通過使兩個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寬輸出電容和 ESR 數(shù)值范圍內(nèi)優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。LTC3850GN 具有一個精準的 0.8V 基準和一個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(shù)電池化學(xué)組成和中間總線電壓。

　　用于每個控制器的獨立 TK/SS 引腳負責(zé)在啟動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(zé)在突發(fā)模式 （Burst Mode） 操作、脈沖跳躍模式或連續(xù)電感器電流模式之間進行選擇，并允許將該 IC 同步至一個外部時鐘。

　　下面由一片LTC3850GN組成的DC-DC電路圖：

　　根據(jù)板上DC電壓的路數(shù)和電流需求，可以由一片或者多片LTC3850GN組成多路DC-DC來滿足板上的需求。同時可以根據(jù)需求每路可以輸出0-20A的電流。

　　TOP8 雙CAN總線與以太網(wǎng)監(jiān)控電路

　　目前最常用的現(xiàn)場總線為CAN總線，CAN總線以可靠性高、成本低、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于智能通信網(wǎng)絡(luò)中，但收發(fā)器驅(qū)動能力的限制不適合遠距離數(shù)據(jù)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)進行遠距離通信，但在工業(yè)控制中仍然存在部分問題尚未解決。結(jié)合CAN總線與以太網(wǎng)自身的優(yōu)缺點，本文研究了適用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)基于雙CAN總線與以太網(wǎng)的現(xiàn)場監(jiān)控模塊，該模塊可安裝于配電開關(guān)柜內(nèi)，能夠就近進行電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)信息的采集，獨立進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)測量、保護、控制等功能。能夠通過冗余雙CAN總線與其他智能節(jié)點進行通信，并且通過以太網(wǎng)上傳重要數(shù)據(jù)給監(jiān)控臺，協(xié)助監(jiān)控臺完成監(jiān)測和控制功能。作為配電網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接的紐帶，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。

　　在現(xiàn)場監(jiān)控模塊中，大量的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)需要采集和處理，并及時、迅速地向集中監(jiān)控臺傳輸，即向集中監(jiān)控臺提供整個控制過程的具體數(shù)據(jù)，同時還要完成判斷處理并通過輸出模塊發(fā)送各種控制命令，考慮到其功能復(fù)雜程度，采用了DSP+FPGA雙控制器的硬件方案，其硬件結(jié)構(gòu)原理參見圖1。

　　1） A/D芯片 該系統(tǒng)采用AD7865作為A/D芯片，該芯片為高速14位A/D轉(zhuǎn)換器，同時采樣4個輸入通道，并具有4個采樣、保持放大器。其優(yōu)點在于能夠真正實現(xiàn)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(nèi)時鐘、讀寫允許邏輯、多種通道選擇方式以及內(nèi)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單。本系統(tǒng)共配置了4片AD7865，能同步采樣多達16路模擬量數(shù)據(jù)。

　　2） 電磁隔離 所有開關(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(tǒng)選擇了16片4路集成電磁隔離芯片ADUM1410，使得該模塊能同時完成多達32輸入，32路輸出的數(shù)據(jù)采集。

　　3） FPGA 該系統(tǒng)以EP1C6PQ240作為系統(tǒng)的輔控制芯片，該芯片有5980個邏輯單元，嵌入式存儲塊有一列M4K塊，每個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單元包含一個雙向I/O緩沖器和三個寄存器，具有2個鎖相環(huán)和8個獨立系統(tǒng)時鐘，芯片管腳數(shù)為240個， 可用管腳數(shù)為185個。FPGA主要完成數(shù)據(jù)輸入輸出控制及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。所有的開關(guān)量信號送入FPGA，所有的模擬量信號經(jīng)A/D芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后也送入FPGA，F(xiàn)PGA需要向A/D芯片提供控制信號來控制A/D芯片的讀寫，所有的數(shù)據(jù)由FPGA預(yù)處理后供DSP讀取。

　　4） DSP 該系統(tǒng)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(nèi)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(shù)量不止一個，如SCI串口有3個，CAN口有2個，只需增加簡單的外圍器件即可實現(xiàn)擴展功能。DSP主要完成數(shù)據(jù)處理、邏輯控制及通訊功能。由于FPGA已將大量數(shù)據(jù)做了預(yù)處理，且本系統(tǒng)中DSP與FPGA的16位地址線和16位數(shù)據(jù)線均相連，采用并行數(shù)據(jù)傳輸，DSP只要通過簡單的指令即可快速讀取所需要的開關(guān)量和模擬量值，為狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷功能提供基礎(chǔ)。

　　5） CAN通信 大多數(shù)嵌有CAN控制器的控制芯片只有一個CAN控制器，如果希望系統(tǒng)具有雙CAN接口，則需要外接一個CAN控制芯片，增加了硬件成本，電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

　　而本系統(tǒng)使用的DSP芯片中嵌有兩個CAN控制器，因此只要將兩個CAN控制器分別外接CAN驅(qū)動器就可以實現(xiàn)與兩條獨立的CAN總線連接。圖2以 CANA為例顯示了TMS320LF28335的CAN通信接口電路，CANB的電路設(shè)計與此相同。CAN總線收發(fā)器82C250是驅(qū)動CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。利用高速光耦6N137，實現(xiàn)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(tǒng)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，包括兩種并行總線以及SPI串行總線等接口方式。內(nèi)置16KB數(shù)據(jù)緩沖雙口RAM，可快速進行數(shù)據(jù)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(nèi)部線性穩(wěn)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(jù) 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(nèi)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。為了實現(xiàn)電氣隔離，消除部分諧波（根據(jù)結(jié)構(gòu)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(tǒng)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51Ω（精度為1%）的電阻和1個0.1μF的電容與特定端相連。DSP通過片選信號DSP_CS選中W5100芯片，通過直接總線模式讀（/WR）、寫（/RD）信號和數(shù)據(jù)（DATA）、地址（ADDR）總線可以簡單的將W5100看做一個外部存儲器來實施控制。

　　設(shè)計了現(xiàn)場監(jiān)控模塊可應(yīng)用于船舶配電網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)柜或重要設(shè)備，配電單元內(nèi)所有電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)量等利用現(xiàn)場監(jiān)控模塊就地采集及處理，節(jié)省了大量電纜，減輕了集中監(jiān)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(jiān)控臺的通信變得便利而可靠，為整個監(jiān)控系統(tǒng)采取靈活而簡便的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用前景。