基于TCP/IP協議多通道雙向端口狀態互傳設備

摘? 要：文章提出了多通道雙向端口狀態互傳設備總體設計思路，敘述了多通道雙向端口狀態互傳設備系統硬件、軟件設計，提出了由32位單片機為主控，以太網控制器為通訊單元，POE有源器件控制器為設備電源模塊。提出了由TCP/IP協議傳輸代替傳統模式傳輸端口狀態信號的方法，并對方法進行了論證。給出了該設備在現場中實際使用方法，在弱電系統工程中具有實際使用意義。

關鍵詞：STM32F103C8T6;W5500;POE;TPS23753PW;CH340G;TCP/IP協議

Abstract：The overall design idea of the multi-channel bidirectional port status mutual transmission equipment is presented. The hardware and software design of the multi-channel bidirectional port status mutual transmission equipment system is described. It is proposed that the 32-bit microcontroller is the main control，and the Ethernet controller is the communication unit. The POE（Power Over Ethernet）active device controller is a device power module. The method of replacing the traditional mode transmission port status signal by TCP/IP protocol transmission is proposed，and the method is demonstrated. The actual use method of the equipment in the field is given，which has practical significance in weak current system engineering.

Keywords：STM32F103C8T6;W5500;POE;TPS23753PW;CH340G;TCP/IP protocol

0? 引? 言

在弱電系統工程中，需要傳輸各種功能的開關狀態信號，如安防系統中的紅外探測信號，門禁系統中的門磁、開門信號。這種開關狀態信號傳統的傳輸方式有兩種：單向傳輸需要每個點拉一條銅質雙絞線;雙向傳輸則需要兩條銅質雙絞線。傳統的傳輸方式存在一些缺點。當信號點數較多時，需要耗費大量銅線，環保性低，布線困難;如果距離遠，則容易受到干擾信號的干擾;對于一些舊的系統工程，增加信號點時，需要重新施工布線;若當檢測的前端信號點與接收點被馬路隔開或者處于不同樓棟，布線施工更加困難。

為了解決傳統開關狀態信號傳輸方式的缺點，需要一種新型的更有效率的端口狀態信號傳輸方式。廣州市康訊動力科技有限公司研發部開發的基于TCP/IP協議多通道雙向端口狀態互傳設備，可以有效地解決上述所提出的缺點。

1? 總體方案設計的分析

設備采用基于傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP協議）方式。TCP/IP協議，能夠在多個不同網絡間實現信息傳輸的協議簇。它有以下特點：協議標準完全開放，可供用戶免費使用，且獨立于特定的計算機硬件與操作系統;獨立于網絡硬件系統，可以運行于廣域網，更適合于互聯網;網絡地址統一分配，網絡中每一設備和終端都具有一個唯一地址;高層協議標準化，可以提供多種多樣可靠網絡服務。

本設備基于TCP/IP協議的傳輸方式進行開發，優點如下：

（1）現在的商住大廈、醫護大樓、住宅小區等建筑物大部分都現實了綜合布線系統，基于TCP/IP協議傳輸方式的設備聯網非常方便。

（2）現在市面上無線路由器、交換機價格低廉，可以利用無線路由器、交換機實現Wi-Fi信號傳輸，特別適合兩棟跨距離不能布線的大樓之間的信號傳輸。

本設計為雙向4通道開關狀態信號傳輸，分前端、后端兩臺配對設備配合使用，前端將本機4通道狀態信號采集，再發送給后端，后端也將本機4通道狀態信號采集，再發送給前端，兩臺配對設備使用TCP/IP協議傳輸方式，進行雙向信號傳輸。

采用有源以太網（Power Over Ethernet，POE）供電方式，無須額外提供電源。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。系統結構設計如圖1所示。

前端、后端設備的硬件電路完全相同。前端設備的輸入IN1～IN4端口狀態，通過RJ45網絡接口，經過W5500以太網控制器處理，數據送到后端STM32F103C8T6微控制器譯碼，將前端輸入IN1～IN4端口狀態在后端輸出端口OUT1～OUT4對應顯示。而后端輸入的IN1～IN4端口狀態，也通過STM32F103C8T6微控制器采集、編碼，W5500以太網控制器處理，通過網絡接口，發送到前端設備。

設備電源部分，POE交換機輸出的直流電源，通過RJ45網絡接口，進入POE電源轉換器，轉換成設備需要的5.0 V，3.3 V電源電壓。

2? 系統設計分析

2.1? 硬件設計

MCU（微控制器），采用STM32F103C8T6系列32位ARM微控制器做主控，用集成全硬件TCP/IP協議棧的嵌入式以太網控制器W5500做網絡通信處理，電源轉換器使用德州儀器（TI）遵循IEEE 802.3af協議標準的POE有源器件控制器TPS23753PW芯片。

2.1.1? 主控電路

STM32F1xx系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，其內核是Cortex- M3。按片內Flash的大小可分為三大類：小容量（16 kB和32 kB）、中容量（64 kB和128 kB）、大容量（256 kB、384 kB和512 kB）。芯片集成定時器（Timer），支持USB- CAN/ADC/I2C/SPI/UART等多種外設功能。時鐘頻率達到72 MHz，為同類產品中性能最高。功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產品。內部包含大容量只讀程序存儲器，配上豐富的引腳結構并具有在線系統編程（ISP）功能，豐富的、高性能的配置，將會為程序的存儲、調試帶來極大的便利，故選用STM32F103C8T6為該系統的主控制電路。系統的主控制電路如圖2所示。

STM32F103C8T6微控制器編程下載以及在線調試，使用USB接口與電腦連接。電路原理參看圖2中U7（USB接口芯片CH340G）部分。U4為4路輸入信號隔離光耦TLP281-4;U5為外存儲器芯片ST24C02M1;U6為輸出繼電器驅動芯片ULN2003AD。

2.1.2? 以太網控制器

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網控制器，為嵌入式系統提供了更加簡易的互聯網連接方案。W5500集成了TCP/IP協議棧，10/100M以太網數據鏈路層（MAC）及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在他們的應用中拓展網絡連接。

W5500提供了串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI），從而更容易與外設微控制器（MCU）整合。W5500的全硬件TCP/IP協議棧芯片將會降低MCU對于龐大網絡數據的負荷，使MCU可以高效的處理其他業務邏輯。同時也避免了MCU主程序受到網絡攻擊的危險，大大優化了MCU的網絡連接功能。以太網控制部分原理圖如圖3所示，其中UP2為以太網網絡變壓器，作用為網絡與設備之間電氣隔離及分離POE電壓。

2.1.3? 設備電源

近年來，POE供電技術的發展勢頭越來越強勁。憑借簡化用電設備的安裝和部署、節能、安全等一系列優勢，POE供電成為無線覆蓋、安防監控以及智能電網等場景的新寵。POE技術能在確?，F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。

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（Powered Device，PD）兩部分。本設備的電源屬于PD，PD的核心部分為電源管理芯片，采用TI的芯片TPS23753APW，該芯片技術成熟，性能穩定。

為了使用方便，減少重復PCB設計，將電源部分設計成一個獨立的模塊。POE電源模塊原理圖如圖4所示，圖中的TR1為高頻電壓變換器，輸出電壓為5.0 V，電流為2.5 A;U4為三端可調分流基準電壓源。

經過反復調試，優化PCB電路板設計，最終電源模塊如圖5所示。

2.1.4? 端口狀態采集及輸出

端口狀態的輸入為各種的干接點信號，為了提高抗干擾能力，采用光耦隔離輸入，有效地減少了對控制單元的干擾。經過光耦隔離的信號，直接輸入到主控電路STM32 F103C8T6微控制器，經主控電路編碼，由以太網控制器通過TCP/IP協議發送給配對設備。

輸出的端口狀態來源于配對的設備，主控電路對經過網絡傳輸來的配對設備的數據譯碼，將狀態顯示于輸出端口。輸出端口后續的其他使用接口設備分干接點和濕接點方式，采用繼電器方式輸出，起到完全電氣隔離，可以滿足其他接口設備干/濕接點的要求。

2.1.5? 看門狗電路

在由單片機構成的微型計算機系統中，由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成各種寄存器和內存的數據混亂，會導致程序指針錯誤，不在程序區，取出錯誤的程序指令等，都有可能會陷入死循環，程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統無法繼續正常工作，導致整個系統的陷入停滯狀態，發生不可預料的后果。為了防止程序“死機”或進入死循環，增加看門狗電路是非常必要的。STM32F103C8T6有兩種看門狗設置方式，一個是獨立看門狗，另外一個是窗口看門狗。本設計采用獨立看門狗方式對系統進行監控。

2.2? 軟件程序設計

W5500以太網控制器已經集成了TCP/IP協議棧，不需要對其編程，只需要對MCU編寫程序。

設備啟動，MCU給W5500加載網絡參數，W5500完成初始化后，等待網絡數據，收到配對設備傳來的網絡數據時，請求MCU接收數據，MCU發出許可指令后，W5500把數據發給MCU，MCU數據解碼，將配對設備的端口輸入狀態顯示到本機的對應輸出端口。MCU再采集自己輸入端口狀態，把數據編碼，送W5500，由W5500通過網絡發送到配對的設備。

3? 設備調試及試運行測試

3.1? 設備調試

使用C語言Keil平臺進行編程，再將程序寫到MCU。程序的調試及設備的設置，使用通用的TCP/IP調試工具。經調試及設置參數后，前/后端正常工作運行的狀態如圖6所示。

圖6左邊電路板為前端，右邊電路板為后端。前端輸入端IN1、IN2通過導線短接，后端輸出OUT1、OUT2繼電器閉合，指示燈點亮;后端輸入端IN3、IN4通過導線短接，前端輸出OUT3、OUT4繼電器閉合，指示燈點亮。

3.2? 試運行測試

本公司有一個無人值守的倉庫位于公司辦公室對面的樓棟，樓棟之間相隔了一條馬路。倉庫安裝了聲光警報器及紅外探測器、門磁等傳感器，需要接入到位于辦公室的安防控制主機，因相隔一條馬路，布線施工困難。使用本設計的前/后端設備可以解決布線施工困難問題，具體實現如圖7端口狀態信號傳輸所示。

如圖7所示，位于倉庫的前端設備對三個紅外探測器及一個門磁的信號進行采集，通過無線路由器傳輸給辦公室的后端設備，進入安防控制主機。當倉庫探測器有報警狀態信號發出，安防主機發出警報信號，輸入到后端通道IN1，經無線路由器發送到倉庫前端，前端設備驅動聲光報警器發光、發聲。

4? 結? 論

本文對基于TCP/IP協議多通道雙向端口狀態互傳設備進行了分析，利用TCP/IP協議進行端口狀態信號傳輸，采用POE網絡供電方式。按傳統的端口狀態信號傳輸方式，至少要在倉庫與辦公室之間布5條屏蔽雙絞線，還要開挖馬路，但使用TCP/IP協議傳輸方式，只需要增加兩只普通的無線路由器，減少了施工難度，降低了成本，適用于需要傳輸端口狀態信號的各種弱電系統工程。

參考文獻：

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作者簡介：劉木泉（1968—），男，漢族，廣東肇慶人，研發部工程師，研究方向：電子電源、自動化控制。