PoE供電網絡超高頻讀卡器設計

邱旭華

（公安部第一研究所，北京100048）

隨著WLAN、VoIP、網絡視頻監控等業務的飛速發展，大量的Wireless LAN AP、IP Phone、IP Camera等基于IP的終端出現在人們生活周圍。這些設備通常數量眾多、位置特殊、數據電源線布線復雜、設備取電困難，其實施部署不僅消耗人力物力，增加建網成本，而且拖延了建設時間。

以太網供電PoE（Power over Ethernet）技術則通過在標準的以太網數據線纜上對所連接的網絡設備（如Wireless LAN AP、IP Phone、Bluetooth AP、IP Camera等）進行遠程供電的方法，避免了在每一臺IP網絡終端設備上都安裝單獨的電源設備的問題，不必在使用現場為設備部署單獨的電源系統，能夠極大地減少部署終端設備的布線和管理成本，推動了相關領域的發展。

科地通信推出PoE技術符合已大規模使用的IEEE 802.3af標準及最新的IEEE 802.3AF方案，供電設備方PSE（Power Sourcing Equipment）設備通過以太網電口對外供電，采用數據線提供DC48 V直流電源。當受電設備方PD（Powered Device）設備插到端口上后，交換機將自動對PD設備進行檢測及功率分類，并根據當前剩余電源、端口供電優先級的配置、端口功率配置等參數，決定是否對此設備供電以及分配優先級。

1 PoE系統

PoE指的是在現有的以太網Cat.5布線基礎架構不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機等）傳輸數據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術。PoE也被稱為基于局域網的供電系統PoL（Power over LAN）或有源以太網（Active Ethernet），有時也被簡稱為以太網供電，這是利用現存標準以太網傳輸電纜的同時傳送數據和電功率的最新標準規范，并保持了與現存以太網系統和用戶的兼容性。

PoE相關特點：PoE技術能在確保現有結構化布線安全的同時，保證現有網絡的正常運作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af標準是基于以太網供電系統PoE的新標準[1]，它在IEEE 802.3的基礎上增加了通過網線直接供電的相關標準，是現有以太網標準的擴展，也是第一個關于電源分配的國際標準。

1.1 系統構成

一個完整的PoE系統由供電端設備PSE（Power Sourcing Equipment）和受電端設備PD（Powered Device）兩部分構成如圖1所示。

圖1 PoE系統構成框圖

PSE設備是為以太網客戶端設備供電的設備，同時也是整個PoE以太網供電過程的管理者。而PD設備是接受供電的PSE負載，即PoE系統的客戶端設備，如IP電話、網絡安全攝像機、AP及掌上電腦（PDA）或移動電話充電器等其他以太網設備（實際上，任何功率不超過13 W的設備都可以從RJ45插座獲取相應的電力）。兩者基于IEEE 802.3af標準建立有關受電端設備PD的連接情況、設備類型、功耗級別等方面的信息聯系，并以此為根據PSE通過以太網向PD供電。

1.2 端點PSE（供電設備）

端點PSE在同一設備內集成了以太網交換機和電源，即PSE結合了IEEE 802.3af電源供電功能與數據終端設備（DTE）功能，或目前以太網交換機和集線器的轉發器功能。這些PSE位于以太網連線的另一個端點（即網絡連接的終端）上，并稱為端點（endpoint）。這些端點一般通過數據線對（信號線對）輸送電源，因為這些線對肯定連在PD上。這種以太網交換機有時被稱為具有“在線電源”，如圖2所示。端點PSE最適合于新的網絡基礎設施的部署。

1.3 中間PSE（供電設備）

中間PSE安裝在數據交換機和PD之間的連線上，這類PSE稱為中間（midspan）或稱中跨，電源可利用中間PSE方式注入網線。中間PSE通過CAT-5電纜中的“空閑線對”提供電源。而數據線對則直接通過，即對于基于中間的網絡而言，PD從一個已有的非802.3af交換機接收數據而從中間獲得電源[2-3]。

圖2 電源通過信號線對傳送圖

此類中間PSE，對于只有少數以太網設備需要電源的情況適用，這種方法更具成本效益。這樣的典例通常是在一個局部區域內有4到24個端口，而它又是一個更大的多端口網絡的一部分，如圖3所示。

圖3為采用MAx5935 PSE控和制器和MAX5940 PD接口的PoE供電系統設計簡化方框圖，該PoE供電系統可工作于千兆位以太網的PD，必須向后兼容于PSE應用，因此要從一個端點PSE交換機接收電源。

2 超高頻讀卡器

鑒于射頻識別技術，即RFID技術的速發展和應用，該系統的超高頻讀卡器選擇Impinj的R2000讀寫器。最基本的RFID系統由三部分組成：

（1）標簽Tag（即射頻卡）：由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線間進行通信。

（2）閱讀器：讀取（在讀寫卡中還可以寫入）標簽信息的設備。

（3）天線：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。

有些系統還通過閱讀器的RS232或RS485接口與外部計算機（上位機主系統）連接，進行數據交換。

系統的基本工作流程是：閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號。當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去；系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。

圖3 PoE供電系統設計簡化方框圖

在耦合方式（電感-電磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、從射頻卡到閱讀器的數據傳輸方法（負載調制、反向散射、高次諧波）以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設計構造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊[4]。高頻接口包含發送器和接收器，其功能包括：產生高頻發射功率以啟動射頻卡并提供能量；對發射信號進行調制，用于將數據傳送給射頻卡；接收并解調來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統的高頻接口設計具有一些差異，電感耦合系統的高頻接口原理圖如圖4所示。

圖4 高頻接口原理圖

閱讀器控制單元的功能包括：與應用系統軟件進行通信，并執行應用系統軟件發來的命令；控制與射頻卡的通信過程（主-從原則）；信號的編解碼。對一些特殊的系統執行反碰撞算法，對射頻卡與閱讀器間要傳送的數據進行加密和解密，以及進行射頻卡和閱讀器間的身份驗證等附加功能。射頻識別系統的讀寫距離是一個很關鍵的參數。

目前，長距離射頻識別系統的價格很高，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的RF輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和射頻卡的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發送信息的能量等。大多數系統的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%～80%。

以Impinj的R2000讀寫器為基礎，讀寫器設計結構如圖5所示。

其中AP Module和R2000 Module為已經做好的模塊，它們之間用34P排線連接。硬件PCB設計的主要功能詳細如下：

（1）Console接口

該接口采用思科RJ-45轉DB9的技術，功能為AP模塊的調試串口（UART3），控制臺端口（DTE），RJ45-RJ45翻轉電纜，RJ-45到DB-9端子適配器，控制臺設備，詳細定義如表1所示。

（2）USB-B

使用AP Module的USB-OTG接口轉換成USB-B接口，USB 2.0 Devies。

圖5 讀卡器設計圖

表1 硬件PCB主要功能

（3）RESET

系統復位，通過復位鍵或者處理器自帶的看門狗給AP Module復位，AP Module再給外圍設備復位，其中用GPIO_43給R2000模塊復位，GPIO_39給USB3320復位，GPIO_40給LAN9514復 位。

（4）DB15接口

該接口用于外部擴展，內含一路串口，4路通用I/O輸入，4路通用I/O輸出，5V電源和地輸出，0-30 V電源輸入，具體定義如表2所示。

（5）天線接口

2路900M天線接口，TNC接頭；1路2.45G天線接口，TNC接頭。

（6）USB-HOST

USB-A接口，USB2.0 HOST，AP Module通過USB3320和LAN9514擴展的4路USB之一。

（7）R2000與AP Module的USB通信

AP Module通過USB3320和LAN9514擴展的4路USB之一，用于與R2000模塊上的ARM7通信。

表2 DB15接口引腳定義

（8）NET

LAN9514通過AP Module的USB擴展，LAN9514內部帶10/100M Ethernet Controller。

（9）POE

符合802.3at標準，5 V輸出，最大功率25 W，采用TI的TPS23754芯片進行設計。

（10）WIFI

采用JORJIN的WG7310模塊進行設計，符合IEEE 802.11b/g/n標準。

802.3af標準規定，在每個RJ45端口上，供電設備可以通過以太網雙絞線向用電設備提供的最大功率約為13 W。如果超過這一功率，便可能會干擾以太網雙絞線中數據信號的傳輸，所以有限的可用功率阻礙著PoE技術進一步的發展。在市場的推動下，IEEE于2004年9月成立了研究小組（PoE Plus）來討論如何增加供電設備PSE輸出的最大功率（高功率的PSE），以滿足受電設備不斷增加的功率需求。由PoE Plus研究組建立的新標準可能允許供電設備PSE輸出30～40 W的功率，同時保證PoE系統的安全性和可靠性。在不久的將來，高功率PoE技術可以支持高功率的受電設備（HPD）直接通過以太網雙絞線獲得電源（如筆記本計算機等）。

PoE技術允許受電設備PD通過以太網線同時接收電能和收發數據，所以當設計新的數據網絡系統或升級一個現有的網絡系統時，采用PoE構架可以有效地減少投資成本，同時可以使網絡運行更加穩定可靠，安裝和維護更加便捷。目前，盡管支持PoE技術的前端供電設備和終端受電設備還不多見，但是由于PoE系統的低成本、高可靠性和易用性等特點，PoE技術必將很快被設備制造商和用戶所接受。

[1]胡志華，郭其一.基于IEEE802.3af的以太網供電技術（PoE）[D].上海：同濟大學，2007.

[2]陳英梅，段景漢，張家榮.以太網供電的關鍵技術解析[J].今日電子，2006（2）：45-47.

[3]殷君，薛吉.以太網供電技術的分析與設計[J].低壓電器，2007（20）：39-43.

[4]宋靜宇.超高頻RFID讀卡器設計與研究[J].硅谷，2010（24）.