基于TPS2384的PSE設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 用MSP430F148單片機(jī)和TPS2384以太網(wǎng)供電管理芯片，開發(fā)了符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)供電設(shè)備，著重論述了該以太網(wǎng)供電設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

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

引言

以太網(wǎng)電源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3af對(duì)路由器、交換機(jī)和集線器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)電纜向IP電話、安全系統(tǒng)以及WLAN接入點(diǎn)等設(shè)備提供電源的方式進(jìn)行了規(guī)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(biāo)準(zhǔn)，可以通過(guò)一條標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線纜提供直流電源并傳輸數(shù)據(jù)，可以廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、集線器等中跨設(shè)備，也可以和上述設(shè)備集成在一起更加方便應(yīng)用。本設(shè)計(jì)主要基于TPS2384設(shè)計(jì)出符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的供電設(shè)備。

IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了一種允許通過(guò)以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)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(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，和原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)。PSE負(fù)責(zé)將電源注入以太網(wǎng)線纜，并實(shí)施功率的規(guī)劃和管理。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了端接式和中跨式兩種類型的PSE，端接式PSE是支持PoE的以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這種設(shè)備在CAT－5線纜的信號(hào)線對(duì)或備用線對(duì)上傳輸電源；中跨式 PSE是專門用于電源管理的設(shè)備，不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它通常和數(shù)據(jù)交換設(shè)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(duì)PD的偵測(cè)、分級(jí)、供電、斷電等功能，PD負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備中分離出48V電源和數(shù)據(jù)信號(hào)，并將48VDC電源變壓為通常情況下終端設(shè)備工作所需的5VDC。在PSE對(duì)PD進(jìn)行偵測(cè)、分級(jí)時(shí)，PD應(yīng)做出相應(yīng)的反應(yīng)，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(xù)工作信號(hào)。

硬件體系結(jié)構(gòu)與組成

在PoE系統(tǒng)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(yīng)用場(chǎng)合，還必須能夠提供各路PD的實(shí)時(shí)工作參數(shù)，并且可以通過(guò)運(yùn)行于PC上的終端監(jiān)控程序來(lái)監(jiān)控整個(gè)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(jié)構(gòu)圖。

圖1 PSE系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由電源模塊、電源轉(zhuǎn)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(jī)MSP430F148通過(guò)I2C-BUS對(duì)TPS2384內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫，從而完成電源管理功能；通過(guò)模式設(shè)置信號(hào)線來(lái)設(shè)置TPS2384的工作模式；通過(guò)出錯(cuò)中斷信號(hào)線獲得來(lái)自于TPS2384的出錯(cuò)中斷信號(hào)，從而通過(guò)復(fù)位信號(hào)線對(duì)TPS2384產(chǎn)生有效的低電平復(fù)位脈沖信號(hào)。同時(shí)，MSP430F148通過(guò)內(nèi)部UART模塊，經(jīng)過(guò)CP2102橋接為USB接口后完成與PC上終端監(jiān)控程序的通信，這樣就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直觀的監(jiān)控，并且當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到?jīng)]有與PC建立連接時(shí)會(huì)自主運(yùn)行，系統(tǒng)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(tǒng)中各個(gè)器件提供工作電壓，系統(tǒng)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(zhuǎn)換后提供工作電壓。

圖2 PSE運(yùn)行控制流程圖

電源模塊：采用220V轉(zhuǎn)+48V的開關(guān)電源模塊，由于一個(gè)TPS2384可以對(duì)四個(gè)以太網(wǎng)口進(jìn)行供電管理，I2C-BUS上可以掛載多個(gè)TPS2384，因此，可以根據(jù)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(dú)的＋48V供電，這直接由電源模塊提供；
電源轉(zhuǎn)換電路：本設(shè)計(jì)采用電源轉(zhuǎn)換芯片LM2575HVS-5.0將+48V轉(zhuǎn)換為+5V,經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3將+5V轉(zhuǎn)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(guó)德州儀器公司推出符合IEEE802.3af規(guī)范的以太網(wǎng)供電管理器，TPS2384運(yùn)行時(shí)內(nèi)部工作所需要的10V、6.3V和3.3V由外部的+48V產(chǎn)生。TPS2384內(nèi)部有一個(gè)15位的A/D轉(zhuǎn)換器，用來(lái)測(cè)量每個(gè)口的電阻、電壓、電流。TPS2384具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C-BUS， MSP430F148通過(guò)I2C通信完成高級(jí)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AM模式下，TPS2384自動(dòng)完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PD的偵測(cè)、分級(jí)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(shè)計(jì)中可以直接設(shè)置TPS2384為AM模式，AM模式下TPS2384采用DC斷路檢測(cè)法檢測(cè)PD是否斷開；在SAM模式下，可以通過(guò)I2C總線來(lái)獲得TPS2384內(nèi)部所有讀寄存器和A/D寄存器的內(nèi)容，可以不需要微控制器的控制而自動(dòng)檢測(cè)有效的PD；在PMM模式下，可以執(zhí)行優(yōu)越的AC斷路檢測(cè)，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總線對(duì)TPS2384內(nèi)部的讀寫寄存器進(jìn)行控制來(lái)完成，因此需要編寫運(yùn)行于微控制器MSP430F148上的程序來(lái)完成對(duì)供電的高級(jí)管理。

圖3  以太網(wǎng)供電設(shè)備在EPA系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖

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

TPS2384需要在每個(gè)端口的供電回路上加入檢測(cè)顯示電路。這樣TPS2384工作在三種模式下都可以直觀的顯示各個(gè)端口的工作狀態(tài)。

在PMM模式下，可以通過(guò)設(shè)置TPS2384的內(nèi)部寄存器配合外部的的AC斷路檢測(cè)電路來(lái)產(chǎn)生疊加在供電回路中的AC斷路檢測(cè)信號(hào)。

單片機(jī)控制部分

MSP430F148是TI公司的超低功耗混合信號(hào)控制器MSP430系列中的FLASH型單片機(jī)。

USB橋接器CP2102

CP2102是一款高集成度的專用通訊芯片，該芯片的功能是實(shí)現(xiàn)UART和USB格式間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，集成了一個(gè)符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)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(hào)的UART數(shù)據(jù)總線，同時(shí)具有一個(gè)集成的內(nèi)部時(shí)鐘和USB收發(fā)器。通過(guò)CP2102可以很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)UART到USB間的橋接，從而為系統(tǒng)添加USB通信接口。

軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PSE的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括兩個(gè)部分：運(yùn)行于MSP430F148的PSE運(yùn)行控制程序和運(yùn)行于PC的PSE終端監(jiān)控程序，兩者通過(guò)由CP2102構(gòu)成的USB接口通信。

PSE運(yùn)行控制程序

PSE運(yùn)行控制程序主要完成系統(tǒng)初始化、對(duì)TPS2384進(jìn)行控制、與PC通信和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝與解析等功能。如圖2所示，當(dāng)沒有與PC連接時(shí)，將設(shè)置TPS2384工作在AM模式下，TPS2384將自主運(yùn)行，此時(shí)將不能夠得到各個(gè)供電端口的具體運(yùn)行數(shù)據(jù)，只能通過(guò)狀態(tài)顯示電路中的LED顯示各個(gè)端口的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)與PC連接時(shí)，系統(tǒng)將按照用戶的要求將TPS2384設(shè)置為相應(yīng)的工作模式，此時(shí)系統(tǒng)將能夠采集到各個(gè)端口的運(yùn)行參數(shù)，在SAM和PMM模式下，系統(tǒng)將可以按照用戶的設(shè)置部分或者完全對(duì)各個(gè)端口的供電進(jìn)行控制。監(jiān)控過(guò)程是通過(guò)對(duì)TPS2384各端口寄存器的讀寫操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
 
系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)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(shè)置為輸出用來(lái)作為驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的信號(hào)；P4.0設(shè)置為輸出作為TPS2384的模式選擇信號(hào)；P4.2設(shè)置為輸出作為TPS2384的復(fù)位信號(hào)；P4.1設(shè)置為輸入作為TPS2384的出錯(cuò)中斷輸入信號(hào)；
串口初始化：MSP430F148通過(guò)UART1與CP2102通信，UART1設(shè)置如下：發(fā)送字符位數(shù)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(shè)置為串口收發(fā)模式。 

I2C-BUS的實(shí)現(xiàn)

在MSP430F148中，沒有標(biāo)準(zhǔn)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(guò)P3.0和P3.2用軟件來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)，完成I2C-BUS的讀寫操作。

I2C-BUS寫操作：I2C-BUS的寫函數(shù)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(gòu)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)完成向指定的TPS2384內(nèi)部寄存器中寫入控制信息。

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-TPS2384的地址、Rg-TPS2384寄存器地址構(gòu)成，此操作的結(jié)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(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(shí)序。

PSE終端監(jiān)控程序

PSE終端監(jiān)控程序主要完成對(duì)各個(gè)供電端口的實(shí)時(shí)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)將通過(guò)終端監(jiān)控程序來(lái)設(shè)置，同時(shí)采集到的各個(gè)供電端口的實(shí)時(shí)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(duì)供電的高級(jí)管理功能。

以太網(wǎng)供電設(shè)備在EPA系統(tǒng)中的應(yīng)用

EPA系統(tǒng)是一種用于工業(yè)測(cè)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(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備連接起來(lái)，通過(guò)EPA系統(tǒng)完成對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控，EPA系統(tǒng)支持以太網(wǎng)供電技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中我們將PSE系統(tǒng)和集線器集成在一起設(shè)計(jì)出了端接式PSE，即PoE-Hub，使得應(yīng)用更加靈活方便，典型應(yīng)用如圖3所示，當(dāng)PoE-Hub偵測(cè)到802.11b無(wú)線網(wǎng)關(guān)、Zigbee接入點(diǎn)和有線閥門定位器為合法的PD后，將執(zhí)行可選的分級(jí)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(jiān)控上位機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，使得它們能夠正常工作，對(duì)各個(gè)端口供電情況的監(jiān)控由監(jiān)控PC上的PSE終端監(jiān)控軟件完成。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用MSP430F148單片機(jī)和以太網(wǎng)供電管理器TPS2384開發(fā)了符合以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3af的可監(jiān)控高級(jí)以太網(wǎng)供電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在EPA系統(tǒng)應(yīng)用中有良好的使用效果，在實(shí)際應(yīng)用中也可以根據(jù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)化從而降低成本。

參考文獻(xiàn)：
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2.    魏小龍編著, MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例, 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002
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