自主供電網絡通信模塊設計與實現

丁穎

摘要：基于W5500芯片的網絡通信模塊設計技術的成熟，該網絡通信模塊的運用也越來越廣泛，但在一些特殊場合需要長距離且便捷的方式實現通信和供電兩種方式，因此，設計了一套自主供電網絡通信模塊。基于TCP/IP協議設計的網絡通信模塊的功能基本相同，文中提出一種自主供電的通信模塊方案，該模塊由控制單元、POE交換機、通信模塊和用戶端組成，并介紹了根據此方案實現自主供電網絡通信模塊，包括結構設計方法和工程應用中的難點。實際應用情況證明了此方案的可行性和有效性。

關鍵詞：通信模塊；供電；TCP/IP協議

全國海洋航行器設計與制作大賽由中國科協、工信部指導，中船重工、中船工業、中國造船工程學會和中國海洋學會主辦，面向全國高校、科研院所在校生的綜合性競賽，是我國船舶與海洋工程領域內層次最高、規模最大、覆蓋最廣的競賽。隨著國家海洋戰略的推進，全國海洋航行器設計與制作大賽規模和影響力越來越大，為了規范和推進全國海洋航行器設計與制作大賽中智能航行比賽，需要相應的比賽系統對比賽過程進行控制，對比賽結果進行準確、客觀的評價。

第五屆全國海洋航行器設計與制作大賽在江蘇科技大學舉行，智能航行比賽、競速比賽和帆船比賽作為其中較為重要的3項比賽，均由本實驗室接手，研究及熟悉系統的操作并確保比賽中的正常運行。比賽結束后，實驗室負責3項比賽系統的重新設計和實現，在原有比賽系統和經驗的基礎上，保留優點改進有缺陷的地方，設計了新的智能航行比賽系統、競速比賽系統和帆船比賽系統，這3項比賽功能類似，可以合并設計。

在對比賽系統設計的過程中，首先需要解決的就是原先比賽中存在的一個很大的缺陷，即串口通信速度慢，并且通信和供電線路復雜。所以在新的比賽系統中選擇網絡通信，能夠提高通信的速度，基于TCP/IP協議的網絡通信模塊在現有的市場很成熟，所以在設計和制作上并沒有很大的難度。但由于比賽系統的特殊性，需要精簡線路，且電源線越長越多越容易損耗，將網絡通信和供電集成在一個模塊上，使用一根網線實現通信和供電，方便且簡潔，滿足比賽的要求[1]。

本系統使用以太網供電（Power Over Ethernet，POE）交換機供電，提供24 V電源，通過網線連接POE交換機和網絡通信模塊，實現通信和供電兩種功能。所研制的自主供電網絡通信模塊經過長時間多次測試，運行穩定，達到設計指標[2]。

1 功能與結構

自主網絡通信模塊由控制單元、POE交換機、網絡通信模塊和用戶端組成。控制單元監管網絡通信模塊的工作，POE交換機作為數據傳輸提供通信通道和提供24 V電源，網絡通信模塊能夠實現傳輸數據和供電，用戶端提供數據傳輸接口接收數據[3]。自主網絡通信模塊的結構設計如圖1所示。

1.1 控制單元

控制單元作為整個模塊的核心，接收處理用戶端發送的信號，控制通信模塊以及外接模塊，起到調配的作用，同時也可將外接模塊發送的信號反饋到用戶端。控制單元采用的是型號為Stcl5w4k48s4的單片機，造價便宜、功能強大，能夠滿足系統要求。

1.2 POE交換機

POE交換機端口符合IEEE802.3 af/802.3 at標準，通過網線供電的方式是標準POE終端設備供電，可以免去額外的電源布線。POE交換機就是支持網線供電的交換機，不僅可以實現普通交換機的數據傳輸功能，也能同時對網絡終端供電[4-5]。

1.3 網絡通信模塊設計

主控單元通過以太網通信模塊與用戶端通信，接收用戶端的指令并根據指令進行工作。網絡通信模塊提供通信和供電，系統采用POE供電方式，通過網線直接從POE交換機獲取24 V直流電供系統使用。網絡通信模塊是基于W5500芯片的以太網模塊，模塊集成硬件化TCP/IP協議，網絡通信模塊是將供電和網絡通信兩個功能集合在一塊板子上[6-7]。網絡通信模塊實物圖如圖2所示，其中標識①為W5500芯片，②為降壓電路，將輸入的24 V轉換成5 V和3.3 V直流電供導引門系統使用，③為RJ45通信供電接口，④為外部供電。

2 電路板設計與制作

2.1 電路板設計

網絡通信模塊的原理示意如圖3所示，包含通信功能和供電功能兩塊的設計。

2.2 W5500芯片

W5500芯片是一款全硬件TCP/IP協議棧的嵌入式以太網控制器，使嵌入式系統可通過SPI接口連接到網絡。選擇W5500芯片完全作用于網絡通信模塊，是因為W5500具有完整TCP/IP協議和10/100 Mbps以太網網絡層和物理層。W5500芯片的優點在于實現以太網應用很便捷，只需運用一些簡單的Socket編程就可，使得嵌入式以太網方案的實現更快捷、方便[8]。

SPI串行外設接口可輕松與外部MCU接口相連接，在作為外設主機接口時，共有SCSn，SCLK，MOSI，MISO 4路信號，并可作為SPI從機工作。采用較多的是可變數據長度模式，SCSn信號受主機控制，W5500與其他SPI設備共用SPI接口，如圖4所示。

2.3 降壓模塊

POE交換機生成額定電壓通過RJ45接口輸出24 V供電，但板卡使用的電壓多為5 V和3.3 V，使用需要使用降壓模塊，降壓模塊為基于2375芯片所產生的3個降壓模塊，分別為24 V轉12 V，24 V轉5 V和24 V轉3.3 V，該降壓模塊使用的為2575-12， 2575-5和2575-3.3這3塊芯片。

LM2575芯片是標準電壓產品，可提供3.3 V，5 V，12 V，15 V及可調等多個電壓檔次產品，封裝使用的是TO-220。本系統一共使用了3個降壓模塊，除了選用的芯片型號不一樣，模塊設計電路圖一致，電路圖如圖5所示。

常見的RJ45接口有兩類，DTE（數據終端設備）類型，用于以太網網卡和路由器以太網接口等，DCE（數字通信設備）類型，用于交換機等。本系統使用的DCE類型，直通線連接，該RJ45接口為可供電接口，共有10個引腳。網絡通信模塊通過網線將POE交換機和RJ45接口相連接，實現通信和供電一體模式，既方便又簡潔。RJ45接口連接如圖6所示。

3 模塊測試

在自主供電網絡通信模塊研制結束后進行測試，使用的是TCP&UDP;調試工具，測試網絡通信模塊通信是否正常。在用戶端安裝TCP&UDP;調試工具，如圖7所示，與網絡通信模塊連接，實現通信。通信成功之后需要測試模塊運行的穩定性，使自主供電模塊與用戶端連接并向用戶端發送數據，持續運行24 h以上，確保模塊運行正常。

4 結語

本文構建的可自主供電網絡通信模塊，該模塊由控制單元、網絡通信模塊、POE交換機和用戶端組成。網絡通信模塊集供電和通信功能于一個模塊，使用POE交換機為網絡通信模塊提供24 V直流電，且實現用戶端與控制單元的通信，提高了模塊的穩定性和可靠性。該自主供電網絡通信模塊已投入到使用中，在全國海洋航行器設計與制作大賽的智能航行比賽、競速比賽和帆船比賽中使用的就是該模塊。

[參考文獻]

[1]楊柳銘，韓會杰，周雪，等.基于TCP/IP協議的網絡監控開關開發[J].傳感器與微系統，2016（7）：97-99.

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[4]張鑫，郎瑩.基于以太網交換機的電源管理與實現[J].電源技術，2017（4）：630-632.

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[8]WIZ net.W5500數據手冊V1.3[EB/OL].（2016-02-24）[2018-05-21].http：//w5500.com/download/index/W5500數據手冊/W5500數據手冊VI.3.pdf.