采用PoE供電的高速以太網分布式數據采集系統

(海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶 630042)

引 言

分布式數據采集已經成為了目前大規模數據采集的優先選擇方式。長期以來，數據采集常規使用的集中式采集方式在信號種類繁多和數量龐大的大型分布式系統中的應用，極易導致系統連接復雜、難以后期維修保養、數據中心設置臃腫。

本文采用以太網為傳輸網絡的分布式數據采集系統[1]來完成遠距離、大規模數據的采集、處理任務。本設計采用RCM5700微處理器模塊構成數據采集核心以滿足任務需求。同時針對傳統數據采集節點單獨設置的復雜供電系統，該數據采集方案采用了基于IEEE802.3af[2]標準提出的PoE供電設計，簡化了供電系統管理，使得系統配置更加簡單、運行更加高效、維護更加便利。經過以太網數據傳輸與供電管理，系統具備了可靠性高、成本低、結構簡單等優點。

1 系統的分析設計

數據采集系統主要完成各個節點的信號收集，并將其轉換為數據中心可以識別處理的信息；數據中心接收到采集的數據以后，按照中心控制邏輯關系，對其進行處理并輸出終端控制信息，從而完成數據的采集、處理以及輸出任務。

1.1 需求分析

針對常規數據采集的需要，依據系統內數據采集情況，對其進行分類。

(1)數字開關量信號

常規數據系統對于分布的數字開關量信號，往往關注的是其開、關兩種狀態變化。對于開關對應產生的控制信號，由數據中心完成邏輯判斷輸出。

(2)輸出量信號

常規數據系統的輸出信號包括各種指示信號燈和數碼管等設備，這部分信號經過數據中心邏輯解算得出結果，繼而通過顯示輸出系統進行控制。

(3)模擬量信號

常規數據系統的模擬量信號往往是旋鈕信號。在實際采樣中，通過數據采集節點的A/D變換功能將該模擬量信號轉換為數字量信號，完成采集。

1.2 系統設計方案

整個數據采集系統是基于以太網完成的數據交互。系統中的數據采集節點通過單片機控制數據采集電路完成數據采集任務，可以利用較為成熟的嵌入式系統設計方案，從而降低開發成本；通過以太網傳輸采集節點狀態，可以隨機增刪節點，從而提高系統可擴展性；通過PoE供電的方式為節點提供電源供應，可以簡化系統供電系統，從而優化節點設計、節約接口資源。

數據采集系統主要由3部分組成：

① 數據采集節點。每個采集節點可以連接不同的終端設備，完成將模擬信號轉換為數字信號的任務，進而將其封裝成以太網信號，通過交換機與數據中心完成數據交互，并且根據中心指令控制終端設備完成一定功能。

② 交換機。交換機完成數據采集節點與數據處理中心的數據交互，同時作為PoE中的PSE網絡供電端為數據采集節點供電。

③ 數據處理中心。中心能夠運行顯控程序，接收采集節點提供的數據，并為各個終端設備提供控制信號，是整個系統的人機交互終端。

系統總體結構如圖1所示。

圖1 數據采集系統結構圖

2 系統實現

2.1 電源系統設計

2.1.1 PoE簡介

PoE[3-4](Power over Ethernet)是指在現有的以太網Cat5布線基礎架構下，不作任何改動而為一些基于IP的終端設備(如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機)傳輸數據信號的同時，還能為此設備提供直流供電的技術。

一個完整的PoE系統包括供電端設備(Power Sourcing Equipment，PSE)和受電端設備(Power Device，PD)兩部分。PSE為PoE系統中向終端提供電力支持的設備，并且同時具備PoE供電過程管理的能力，該類型設備可以分為兩種：Midspan (PoE功能在交換機外)和Endpoint(PoE功能集成到交換機內)。PD為接收供電的PSE負載，即PoE系統的客戶端。PD端依據IEEE802.3af標準，向PSE發送當前端口設備網絡連接、功耗等級、輸入輸出類別等方面的信息，進而PSE依據此信息決定PoE供電等級，從而通過以太網向其供電。

設計選用內置PoE功能的交換機TL-SG3226PE作為PoE系統的供電設備，其供電性能特點為：①完全兼容IEEE802.3af標準，每端口支持PoE功率最大為30 W；②1臺交換機最大支持PoE功率為370 W，平均每個端口為40 W；③每臺設備最大消耗功率為422 W；④能夠自動檢測受電設備的連接，如果某端口電流超過350 mA，則在保持其他端口正常供電的情況下，自動斷開該端口的供電；⑤具有端口短路保護功能；⑥具備電源管理系統，實現了對單個端口最大功率設置。

2.1.2 PD電源系統設計

PD電源系統功能如下：接收PSE電源供電，滿足PoE供電過程要求；實現電壓的變換，為滿足多種外接設備供電要求，將PoE網絡供電電壓由27 V變換為3.3 V和5 V；實現數據的網絡轉發。

根據設計要求，電源系統設計如圖2所示。

圖2 PoE供電總體框圖

為了更加便于網絡信號檢測，設置PoE供電模式為通過數據線對供電的模式A。為了滿足PoE供電要求，選用美國國家半導體公司的LM5073[5]作為PD端核心芯片，為PD端檢測PoE特征以及分級特征等相關信號，完成PoE供電過程。

該芯片是一款高度集成的電源IC，內部由符合IEEE802.3af技術標準的用電設備接口與脈沖寬度調制控制器結合在一起，并可以通過外接的交流電適配器取得電源供應，因此既可以將其應用于PoE中的PD設備，又可作為單純的電壓穩壓芯片使用。此外，該芯片還搭載了能夠實現電流限制的編程門控，并且能夠對電源工作狀態進行輸出，具有良好的交互形式。

J3端輸出由MIC29150-3.3BU芯片來實現，最大輸出電流為1.5 A。J4端輸出由開關電源芯片LM5576以及電源模塊YND5-24S05來實現。

2.2 數據采集模塊設計

2.2.1 硬件設計

(1)微處理器

設計MCU采用Digi公司的RCM5700[7]微處理模塊。RCM5700是一種適用于以太網應用的高性能片上系統，其尺寸小、性能強，核心處理器為工作頻率可達50.0 MHz的Rabbit5000；系統具有35路通用I/O，且可最多配置為4種功能；系統具有128 KB的靜態隨機內存和1 MB的內存；外部I/O總線可作為8條數據線；為了增強系統穩定性，系統還搭載了備用時鐘以及看門狗。

在RCM5700模塊上搭載的微處理Rabbit5000是專門為嵌入式控制、通信和網絡連接應用而設計，具備24位地址總線、8/16位數據總線、128 KB內存高速16位SRAM、8個DMA通道和6個串口；該芯片眾多的功能集成加速了硬件設計并且支持C的指令集，即使針對最復雜的應用也可以實現高效開發。

(2)數據采集板設計

數據采集板需要額外的芯片來完成數據采集的任務，其總體的結構圖如圖3所示。

圖3 數據采集板總體結構圖

該數據采集板可完成的功能有：①可以實現最多16×16的鍵盤掃描；②最多30路開關量直接采集信號輸入；③最多30路直接輸出控制信號線；④可以實現RS422全雙工通信和RS485半雙工通信；⑤具有4通道的A/D轉換；⑥具有網絡通信功能；⑦通過USB口實現電路程序調試和下載。

(3)以太網接口設計

RCM5700的以太網模塊包括以太網介質訪問控制模塊(Ethernet Media Access Controller,EMAC)和以太網物理層驅動模塊(Ethernet Physical Transceiver,EPHY)， 這兩個模塊均按照IEEE802.3標準完成TCP/IP協議棧中的底層網絡接口層功能接收時，首先EPHY模塊的10BASE-T/100BASE-TX接收器接收從外部雙線引腳PHY_RXN/PHY_RXP輸入的信號，然后經過解碼器解碼將輸出值傳送給EMAC模塊。EMAC根據接收緩沖區中的指針寄存器計算緩沖區中最最后一幀的偏移量，從而將RX緩沖區中的數據轉發至上層協議完成數據處理。

為了增強以太網通信的抗干擾性，數據采集模塊選用了網絡隔離芯片ST-JP044，為了節約制板空間，選取其封裝形式為RJ45。

2.2.2 軟件流程

在系統編程實現時，采用模塊化的設計思想，網絡通信、RS422通信、AD轉換、串并轉換、并串轉換等封裝成標準的函數供調用，盡量減少代碼的重復編寫。

數據節點的采集電路程序具有兩種工作狀態:一是聯網狀態，二是非聯網狀態。當電路正常工作于聯網狀態時，會將采集到的開關量等數據信息以一定的格式發送給采集計算機，同時接收采集計算機發送的顯示控制信息。在電路剛上電、聯網中斷或者調試時，電路處于非聯網狀態，此時電路能夠進行默認顯示或繼續顯示原有內容，并能夠對不涉及到設備狀態的按鍵開關等操作進行相應的顯示控制，即模擬原有硬件的簡單顯示控制邏輯，比如顯示數字的增減、亮度調節等功能。

硬件采集程序的總體流程如圖4所示。

圖4 硬件采集程序的總體流程圖

結 語

王偉(工程師)，主要研究方向為軍事裝備學。