基于ＴＰＳ２３８４的ＰＳＥ設計與實現

摘要：用MSP430F148單片機和TPS2384以太網供電管理芯片，開發了符合IEEES02.3af標準的以太網供電設備，著重論述了該以太網供電設備的系統設計實現過程。

關鍵詞：以太網供電；供電設備；MSP430F148；TPS2384；FC-BUS

引言

以太網電源技術標準IEEE 802.3af對路由器、變換機和集線器等網絡設備通過以太網電纜向IP電話、安全系統以及WLAN接入點等設備提供電源的方式進行了規定。

德州儀器公司先后推出了電源管理芯片TPS2383和TPS2384I它們兼容802.3af標準，可以通過一條標準的以太網線纜提供直流電源并傳輸數據，可以廣泛應用于以太網交換機、路由器、集線器等中跨設備，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IEEES02.3af標準的供電設備。

IEEE802.3af標準

IEEE802.3af標準定義了一種允許通過以太網在傳輸數據的同時輸送48V直流電源的方法，它將以太網供電(PoE)技術引入到現有的網絡基礎設施中，和原有的網絡設備相兼容，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線纜，并實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型的PSE，端接式PSE是支持PoE的以太網交換機、路由器、集線器或其他網絡設備，這種設備在CAT-5線纜的信號線對或備用線對上傳輸電源；中跨式PSE是專門用于電源管理的設備，不進行數據交換，它通常和數據交換設備放在一起協同工作，以完成以太網供電的功能。PSE主要完成對PD的偵測、分級、供電、斷電等功能，PD負責任網絡終端設備中分離出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進行偵測、分級時，PD應做出相應的反應，同時，在PSE供電過程中，PD通過維持功率特征發送持續工作信號。

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，在一些特殊應用場合，還必須能夠提供各路PD的實時工作參數，并且可以通過運行于PC上的終端監控程序來監控整個系統。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。

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FC-BUS對TPS2384內部寄存器進行讀寫，從而完成電源管理功能；通過模式設置信號線來設置TPS2384的工作模式；通過出錯中斷信號線獲得來自于TPS2384的出錯中斷信號，從而通過復位信號線對TPS2384產生有效的低電平復位脈沖信號。同時，MSP430F148通過內部UART模塊，經過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行直觀的監控，并且當系統識別到沒有與PC建立連接時會自主運行，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器件提供工作電壓，系統工作時需要+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或經過轉換后提供工作電壓。

電源模塊：采用220V轉+48V的開關電源模塊，由于一個TPS2384可以對四個以太網口進行供電管理，I²C-BUS上可以掛載多個TPS2384，因此，可以根據實際情況來選擇電源模塊的功率。TPS2384工作時只需要外部單獨的+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，經過AMS1117-3.3將+5V轉換為MSP430F148工作時所需要的+3.3V。

以太網供電管理器部分

TPS2384是美國德州儀器公司推出符合IEEE802.3af規范的以太網供電管理器，TPS2384運行時內部工作所需要的10V、6.3V和3.3V由外部的+48V產生。TPS2384內部有一個15位的A/D轉換器，用來測量每個口的電阻、電壓、電流。TPS2384具有標準的I²C-BUS，MSP430F148通過I²C通信完成高級電源管理功能。TPS2384具有三種工作模式：自動模式(AM)、半自動模式(SAM)和供電管理模式(PMM)。在AM模式下，TPS2384自動完成對標準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；在SAM模式下，可以通過PC總線來獲得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檢測有效的PD；在PMM模式下，可以執行優越的AC斷路檢測，可以實時地獲得每個PD的電壓與電流，這些需要通過I²C總線對TPS2384內部的讀寫寄存器進行控制來完成，因此需要編寫運行于微控制器MSP430F148上的程序來完成對供電的高級管理。

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

TPS2384需要在每個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的顯示各個端口的工作狀態。

在PMM模式下，可以通過設置TPS2384的內部寄存器配合外部的AC斷路檢測電路來產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用通訊芯片，該芯片的功能是實現UART和USB格式間數據的轉換，集成了一個符合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，同時具有一個集成的內部時鐘和USB收發器。通過CP2102可以很簡單的實現UART到USB間的橋接，從而為系統添加USB通信接口。

軟件設計與實現

PSE的軟件實現主要包括兩個部分：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TFN2384進行控制、與PC通信和對數據進行封裝與解析等功能。如圖2所示，當沒有與PC連接時，將設置TPS2384工作在AM模式下，TPS2384將自主運行，此時將不能夠得到各個供電端口的具體運行數據，只能通過狀態顯示電路中的LED顯示各個端口的運行狀態；當與PC連接時，系統將按照用戶的要求將TPS2384設置為相應的工作模式，此時系統將能夠采集到各個端口的運行參數，在SAM和PMM模式下，系統將可以按照用戶的設置部分或者完全對各個端口的供電進行控制。監控過程是通過對TPS2384各端口寄存器的讀寫操作來實現的。

系統初始化

系統時鐘初始化：選擇8MHz時鐘XT2作為主時鐘的時鐘源，選擇DCO為子時鐘的時鐘源。

I/O口初始化：將P3.3設置為輸出用來作為驅動蜂鳴器的信號；P4.0設置為輸出作為TPS2384的模式選擇信號；P4.2設置為輸出作為TPS2384的復位信號；P4.1設置為輸入作為TPS2384的出錯中斷輸入信號；

串口初始化：MSP430F148通過UARTＩ與CP2102通信，UARTI設置如下：發送字符位數為8位；發送／接收速率為9600；選擇輔助時鐘ACLK作為波特率發生器的時鐘源；使能串口接收和發送操作；將P3.6和P3.7的功能選擇寄存器設置為串口收發模式。

I²C-BUS的實現

在MSP430F148中，沒有標準的I²C-BUS通信模塊，因此，需要將I²C-BUS通信規范中的SDA和SCL通過P3.0和P3.2用軟件來模擬實現，完成FC-BUS的讀寫操作。

I²C-BUS寫操作：I²C-BUS的寫函數voidWritel²C(char Addr，char Reg，chm Ctr)由形參Addr-TPS2384的地址、Reg-TPS2384寄存器地址、Ctr-控制信息構成；寫函數由I2CInit( )、12CStart( )、12CSent(unsigned char data)、12CReceiveAck( )、12CRecei veAck( )、12CReceiveAck( )、12CStop( )和delay( )子函數組成，I²C-BUS的寫函數完成向指定的TPS2384內部寄存器中寫入控制信息。

I²C-BUS的讀操作：I²C-BUS的讀函數voidRead12C(unsigned char Adr，unsignedcharRg)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狀態寄存器中的信息讀出，并將它存人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的讀時序。

PSE終端監控程序

PSE終端監控程序主要完成對各個供電端口的實時監控功能，由于使用了USB橋按芯片CP2102，存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終端監控程序來設置，同時采集到的各個供電端口的實時工作參數也將直觀顯示在監控程序上，終端監控程序實現了對供電的高級管理功能。

以太網供電設備在EPA系統中的應用

EPA系統是一種用于工業測量與控制的分布式工業自動化以太網，它將分布在工業現場的設備連接起來，通過EPA系統完成對工業生產過程的監控，EPA系統支持以太網供電技術。在實際應用中我們將PSE系統和集線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無線網關、Zigbee接入點和有線閥門定位器為合法的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，同時傳輸EPA臨控上位機的監控數據，使得它們能夠正常工作，對各個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

本設計采用MSP430F148單片機和以太網供電管理器TPS2384開發了符合以太網供電標準IEEES02.3af的可監控高級以太網供電管理系統。該系統在EPA系統應用中有良好的使用效果，在實際應用中也可以根據需要進行簡化從而降低成本。