CN103107893B - 以太网供电系统的共模数据传输 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了以太网供电（PoE）系统中用于提供数据传输的电路和方法，它具有供电设备（PSE），用于向PoE链路供电，和连至PoE链路的用电设备（PD），用于接收来自PSE的供电。所述PSE和PD以共模方式在以太网双绞线对电缆的两对线对之间彼此支持数据通信。

Description

以太网供电系统的共模数据传输
技术领域
本发明涉及供电系统，更具体地讲，涉及用于在以太网供电（PoE）系统中以共模方式提供数据传输的电路和方法。
背景技术
在过去几年中，以太网业已成为局域网络最常用的方法。IEEE802.3组，以太网标准的发起人，业已开发了该标准的延伸形式，被称作IEEE802.3af，定义通过以太网电缆供电。IEEE802.3af标准定义以太网供电（PoE）系统，该系统涉及通过非屏蔽双绞线将电力从供电设备（PSE）传输到位于链路相对侧的用电设备（PD）。传统上，网络设备诸如IP电话，无线LAN接入点，个人计算机和网络摄像机需要两个连接：一个连至LAN，而另一个连至供电系统。PoE系统消除了需要额外的插口和接线，以向网络设备供电。取而代之的是，通过用于数据传输的以太网电缆供电。
如IEEE802.3af标准所定义的，PSE和PD是非数据实体，允许网络设备使用与用于数据传输相同的通用电缆供电和获得电力。PSE是在物理连接点电连接至电缆的设备，它向链路供电。PSE通常与以太网交换机，路由器，集线器或其他网络交换设备或中跨供电设备相关联。PD是获得供电或请求供电的设备。PD可以与诸如数字IP电话，无线网络接入点，PDA或笔记本电脑扩展坞，移动电话充电器和HVAC恒温器等设备相关联。
PSE的主要功能是为请求供电的PD搜索链路，可选地对PD进行分级，如果检测到PD则向所述链路供电，监控链路上的供电，并且当不再请求或需要时切断电源。PD通过呈现有效或无效的侦测特征参与PD检测过程，来请求供电并指示已接收到供电。PD侦测特征具有通过PSE测定的电学特征。
电信号能够以标准，差动或共模方式通过电缆携带。标准模式信号表现在一对导线之间或者引至（或通过）大地，底盘或屏蔽（折返）的单线上。标准模式信号在两个导线之间以平衡或不平衡的传输通道读出。差动模式信号以非接地电缆配置在一对导线上差分表现。共模信号相对本地共通或接地在双线传输系统的两条线上表现相同。
传统的以太网数据传输是以差模方式在以太网双绞线之间进行，其中一对用于从第一节点向第二节点传输数据，而另一对用于接收从第二节点发送到第一节点的数据。在PoE系统中，PSE和PD之间的电力是以共模方式作为电压在两对以太网双绞线对之间传输的，通常通过向用于将以太网数据信号连至导线的隔离变压器的中间抽头供电。由于以太网数据是差分传送，在以太网发送对和接收对之间以共模方式传输的电力不影响以差模方式传输以太网数据。PoE系统中的PD检测和供电协议涉及检测以太网双绞线对共模连接上的阻抗或电流的模拟方案。
尽管PSE和PD是非数据实体，不涉及以太网数据的传输，但是在某些场合下，希望在PSE和PD之间提供数据传输，例如，用于识别目的。
发明内容
本发明提供了新型电路和方法，用于在以太网供电（PoE）系统中提供数据传输，包括向PoE链路供电的供电设备（PSE），和连至PoE链路用于接收来自PSE供电的用电设备（PD）。PSE和PD被设置用于以共模方式在以太网双绞线对电缆的两对线之间彼此支持数据通信。
根据本发明的一个实施例，PD可以包括可变负载，用于在第一运行模式从PSE获得第一负载电流值，并在第二运行模式从PSE获得第二负载电流值。第一和第二负载电流值对应要传输给PSE的数据信号的相应逻辑电平。
PD还可包括电压检测器，用于检测第一和第二电压电平，对应从PSE传输的数据信号的相应逻辑电平。电压检测器可包括比较器，用于将从PSE接收的信号的电压电平和参考电压作比较，以检测从PSE传输的数据信号的逻辑电平。
PSE可包括电压发生器，用于产生第一和第二电压电平，对应要传输至PD的数据信号的相应逻辑电平；和电流检测仪，用于检测由PD获得的负载电流值。
电流检测仪可以包括电流-电压变换器，用于产生代表由电流检测仪检测到的电流值的电压，和比较器，用于将所产生的电压和参考电压作比较，以确定从PD传输的数据信号的逻辑电平。
根据本发明的一个方面，在PoE系统中PD和PSE之间数据通信的协议涉及：
-在接收到来自PSE的供电之后，由PD启动数据传输，和
-由PSE确认接收到来自PD的数据信号。
例如，数据传输可以在由IEEE802.3af标准定义的低电流期启动。由PD传输的数据信号持续时间可通过由IEEE802.3af标准定义的250ms窗口限制。
PD可以启动与PSE的数据通信，以识别其本身。例如，PD可以传输给PSE数据，以确定PSE是否能够提供比IEEE802.3af标准要求的功率需量更高的功率。PSE可以通过传输数据响应，确认有提供更高功率需量的能力。
根据本发明的另一方面，提供了PD接口装置，用于使PD能够在PoE系统中支持与PSE的数据通信。PD接口装置可以包括可变负载，用于传输具有逻辑电平的数据，所述逻辑电平由从PSE获得的PD运行电流值定义，和电压检测器，用于检测线电压电平，对应由PSE传输的数据的逻辑电平。
根据另一方面，PSE设备具有在PoE系统中支持与PD数据通信的能力。PSE设备可以包括电流检测仪，用于检测由PD获得的第一和第二电流值，和电压发生器，用于产生第一和第二线电压电平，对应要传输给PD的数据信号的相应逻辑电平。
通过下文的详细描述，本发明的其他优点和方面对本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中本发明的实施例是通过对实施本发明的最佳模式进行说明的方式加以呈现和描述的。如下文所述，本发明可具有其它和不同的实施例，并且其许多细节可在不背离本发明的精神下对各显而易见的方面加以修改。因此，应当认为附图和说明书本质上是说明性的，而非限制性的。
附图说明
结合下述附图，可最好地理解下文中对于本发明的实施例的详细描述，其中特征不必要按比例绘制，而是为了最佳阐述相关特征而绘制，其中：
图1-3示出PoE结构，其中可以实现本发明的数据传输系统。
图4示出了本发明的数据通信系统。
图5示出了从PD到PSE的数据传输。
图6示出了从PSE到PD的数据传输。
具体实施方式
本发明将通过符合IEEE802.3af标准的PoE系统中PSE和PD之间的数据传输的示例加以描述。不过，显而易见的是，本文所披露的构思可适用于通过网络供电的任何系统的数据通信。
图1示出了PoE系统，其中可以实现本发明的数据传输方案。PoE系统包括PSE12和PD14。PSE12可与开关或集线器16相关联，而PD14与通过以太网电缆20连至开关/集线器16的受电终端站18相关联。以太网电缆20包括四个双绞线对。不过，10Base-T和100Base-TX以太网系统只使用两个双绞线对以差模方式用于以太网数据的传输。所述双绞线对被称作数据线对22。被称作备用线对24的两个双绞线对保持不使用。一个数据线对22提供从开关/集线器16到终端站18的以太网数据的传输，而另一数据线对22用于接收从终端站18发送到开关/集线器16的以太网数据。1000Base-T以太网系统使用所有4个双绞线对以差模方式进行以太网数据通信。
PSE12在数据线对22之间提供标称48V DC。从PSE12向PD14的供电以共模方式，通过对隔离变压器26的中间抽头供电，施加在两个数据线对22之间，所述隔离变压器26用于将差分以太网数据信号连至开关/集线器侧的数据线对22。PD14接收来自隔离变压器28的中间抽头的供电，所述隔离变压器28用于将差分以太网数据信号连至终端站侧的数据线对22。
图2示出了PoE系统的另一个例子，其中可以实现本发明的数据传输方案。在这个示例中，从PSE12向PD14的供电以共模方式作为电压施加在两个备用线对24之间。数据线对22用于以差模方式在开关/集线器16和受电终端站18之间传输和接收以太网数据。
图1和2所示的示例示出了终端PSE装置，其中PSE与数据终端设备（DTE）或中继器一致。图1和2所示装置中的终端PSE可支持10Base-T，100Base-TX和1000Base-T以太网系统。
图3示出了PoE系统的另一个示例，其中可以实现本发明的数据传输方案。该示例示出了中跨PSE装置，其中，PSE位于链路段内，明显与介质相关接口（MDIs）分离并且在介质相关接口之间。中跨PSE可支持10Base-T和100Base-TX以太网装置。
在图3所示的PoE系统中，PSE12在中跨电源插入设备28中提供，所述电源插入设备28插入在开关/集线器16和受电终端站18之间的以太网电缆中。PSE12以共模方式通过在两个备用线对24之间施加电压向PD14供电。数据线对22用于在开关/集线器16和受电终端站18之间进行差模以太网数据通信。
如在IEEE802.3af标准中所定义的，PSE12和PD14参与PD检测程序，在此期间PSE12探测链路，以检测PD。如果检测到PD，PSE12检查PD检测特征，以确定它是有效还是无效的。有效和无效的检测特征在IEEE802.3af标准中有定义。有效的PD检测特征表示PD处于接受供电的状态，而无效的PD检测特征表示PD处于不接受供电的状态。
如果所述特征是有效的，PD具有向PSE呈现分级特征的选择，以表示在上电时会获得多少电能。可以将PD分级为级别0至级别4。级别1的PD要求PSE提供至少4.0W，级别2的PD要求PSE提供至少7.0W，而级别0，3或4的PD要求至少15.4W。
根据确定的PD级别，PSE向PD提供所需的功率。当PD已完成检测程序并接收到供电时，IEEE802.3af协议要求获得至少75ms的最小10mA电流，随后是长达250ms的可选低电流期。低电流期允许PD保存电量。因此，PSE在认定PD的最小电流状态之前等待至少250ms。
根据本发明，该250ms窗口被用于在PSE12和PD14之间提供共模数据传输。所述共模数据传输涉及通过PoE系统中用于电力传输的共模通道在PSE12和PD14之间进行信息交换。
因此，在图1所示的PoE装置中，PSE12和PD14之间的数据传输可以共模方式通过两个双绞数据线对22进行。在图2和3所示的PoE装置中，PSE12和PD14之间的数据传输可以共模方式通过两个双绞备用线对24进行。本发明的共模数据传输不妨碍以差模方式进行的以太网数据传输，并且不影响802.3af功率信号协议。
参见图4，本发明的共模数据传输系统包括与PSE12相关联的线电压发生器122和PD负载电流检测仪124，以及与PD14相关联的电压检测器142和可变负载144。线电压发生器122使PSE12能够产生线电压的两个不同值，代表要传输给PD14的数据的第一和第二逻辑电平。在图1所示的PoE装置中，线电压施加在用于将差分以太网数据信号连至开关/集线器侧的数据线对22的隔离变压器26的中间抽头之间。在PD侧，电压检测器142确定隔离变压器28的中间抽头之间具有的线电压，以检测从PSE12接收的数据的相应逻辑电平。在图2和3所示的PoE装置中，由线电压发生器122产生的线电压以共模方式施加在PSE侧的备用线对24之间，并且由PD侧的备用线对24之间的电压检测器142进行检测。
可变负载144使PD14能够从PSE12获得两个不同值的负载电流，代表要传输给PSE12的数据的第一和第二逻辑电平。PD负载电流检测仪124允许PSE12来测量PD负载电流，以便检测从PD14接收的数据的相应逻辑电平。在图1所示的PoE装置中，PD负载电流通道以共模方式提供在数据线对22之间，而在图2和3所示的PoE装置中，PD负载电流通道以共模方式提供在备用线对24之间。
根据本发明的共模数据传输协议，可由PD14启动信息交换，将需要的信息传输给PSE12。例如，刚接收到供电的PD14可以将64位序号传输至PSE12，以识别其本身。为了提供数据传输，PD12可调整其负载电流在阈值电平之上和之下。
例如，如上所述，IEEE802.3af协议要求PD14获得至少75ms的最小10mA电流，随后是长达250ms的低电流期。因此，PD14可以获得75ms大于10mA的负载电流，以满足IEEE802.3af要求，然后以相当于要传输给PSE12的数字数据的形式，交替获得大于10mA或小于10mA的负载电流。例如，大于10mA的负载电流可对应逻辑“1”，而小于5mA的负载电流可对应逻辑“0”。
通过在250ms低电流窗口期间调整其静态电流到10mA阈值电平之上和之下，PD14可传输序列数据流至PSE12。在250ms窗口中传输的位数与数据传输速率成比例。传输位数的上限代表共模数据传输信道的承载能力。例如，在300波特的数据传输速率下，高达75位可在250ms窗口中传输。
根据本发明的另一个实施例，PD14可在窗口期间传输数据，所述窗口由IEEE802.3af标准确定的过载时限TOVLD限定，其中规定如果PSE的输出电流IPORT超过过载电流检测范围ICUT的时间长于过载时限TOVLD，则PSE应从电源接口（PI）切断电源。过载时限的最小值为50ms。在这段时间，PD14可以通过将负载电流调整至ICUT之上或之下来传输数据。
PSE12可通过暂时使线电压降至低于标称48V的水平，然后使电压恢复到其标称值，来确认接收到来自PD的数据。然后，PSE12可通过交替提供两个不同值的线电压，来进行向PD12的数据传输。不同于来自PD14的数据传输，其中传输位数受制于250ms窗口，PSE12可以无限期地传输数据。
例如，在向PD14供电后，PSE12可将线电压保持在IEEE802.3af标准要求的44V最小电平之上。在接收到从PD14传输的数据之后，PSE12可将线电压调整在48V和38V之间，以代表要传输给PD14的数据的逻辑"1″和逻辑"0"。
符合IEEE802.3af标准的PD要求保持运行，直到线电压降至至少37V，以允许在PD获得最大电流时互联电缆上的电压降。如果在从PSE的数据传输期间，PD保持其负载电流低，例如，在10mA水平，电缆上的电压降与最大350mA负载电流水平时的电压降相比会是最小。结果，代表逻辑"0"由PSE提供的38V线电压会在PD14保持高于37V最大关闭电压。
因此，在从PSE12的数据传输期间，PD14必须使其负载电流保持在低水平。如果在正常运行期间PD获得大量的电能（例如，对于包括高功率无线电发射机的无线接入点的情况），可能需要延迟接通大部分电路，直到数据传输完毕。
本发明的共模数据传输协议可被，例如，能够提供高于IEEE802.3af标准所需功率的高功率PSE使用。利用数据传输给PSE，PD可将自身识别为设备，请求比通常PSE所要求提供的功率更高的功率。如果接收PD数据的PSE是高功率PSE，它通过发送数据确认对较大功率的请求来应答PD数据，并提供PD所需的功率。
如果使用共模数据传输协议的PD连接至不能理解共模数据传输的传统PSE，则传统PSE继续向PD供电，但不应答由PD传输的数据。在这种情况下，PD认识到PSE不支持共模数据传输协议，并且如果合适的话调整其运行，以便与传统PSE一起工作。
类似地，如果结合共模数据传输电路的PSE向PD供电，并且没有从PD接收到任何数据，则PSE识别出相应的PD是传统PD，它不支持共模数据传输协议，并且所述PD可能立即开始提取全负载电流，这会使PSE传输协议失效。在这种情况下，PSE制止向PD传输数据。只要PSE不使线电压降至44V最小电平之下，PD就能够继续其正常运行。
图5和6示出了本发明共模数据传输系统的示例性实施。参见图5，当PD14必须向PSE12传输数据时，由PD控制器140提供的传输数据控制由PSE12提供的48V电压所提供的可变负载144，以使可变负载144能够以两种模式运行。控制器140可以是PD14外部或内部的数据处理单元。
例如，为了响应要传输给PSE12的数据序列中的逻辑"0"，可变负载144以第一运行模式运行，其中它的静止负载电流Iq保持在小于5mA的水平。为了响应要传输给PSE12的数据序列中的逻辑"1″，可变负载144由开关S1切换到第二运行模式，其中额外的负载，例如电阻跨接在线上，以便从PSE12获得额外的负载电流Ib。在第二运行模式中，总维护负载电流Iq+Ib可能高于10mA的水平。
PSE12上的PD负载电流检测仪124可包括电阻Rl和比较器126。电阻Rl用于将由PD14维护的负载电流转化成代表负载电流值的电压。通过电阻Rl的电压由比较器126与参考电压Vref.l作比较，以检测从PD14接收的数据的逻辑电平。参考电压Vref.l和电阻Rl的值是预选的，以区分从PD14接收的数据的逻辑电平。例如，Rl=0.5Ohm，而Vref.l=5mV。接收到的数据可提供给PSE控制器130，它可以是PSE12外部或内部的数据处理单元。
参见图6，当PSE12向PD14传输数据时，提供传输数据的PSE控制器130控制开关S2，以在两种运行模式之间切换线电压发生器122。例如，为了响应传输数据中的逻辑"0"，线电压发生器122在第一运行模式下运行，以产生38V线电压。为了响应逻辑"1"，线电压发生器122被切换至第二运行模式，其中额外的10V电压连至其输出端，以产生48V线电压。
PD14上的电压检测器142可以包括比较器146，和由电阻R2和R3构成的分压器，所述电阻被选定以将提供的线电压分成预定值。比较器146将分压器输出端的电压和预定的参考电压Vref.2作比较，以检测从PSE12接收到的数据的逻辑电平。参考电压Vref.1和电阻R2和R3的值是预选的，以区分从PSE12接收的数据的逻辑电平。例如，R2=35kOhm，R3=1kOm，和Vref.2=1.2V。接收到的数据可提供给PD控制器140。
前述说明示出并描述了本发明的各个方面。此外，本发明仅仅示出并描述了本发明的优选实施例，但是如前所述，应当理解本发明可用于各种其它组合、修改和环境，并且能够在本文所述的发明构想的范围内，通过上述教导和/或相关领域的技术和知识进行变化或改动。
上文中描述的实施例进一步用于解释实施本发明的最佳模式，并且可使本领域的其它技术人员能够以该实施例，或其它实施例，以及特定应用或使用本发明所需的各种改动来使用本发明。
因此，本说明书并非试图将本发明限制于本文公开的形式。另外，所附权利要求应当被解释为包括可替换的实施例。

Claims (20)

1.一种以太网供电(PoE)系统，包括：
供电设备(PSE)，用于通过双绞线对链路向用电设备(PD)供电，
所述PSE具有数据通信电路，所述数据通信电路被设置成用于以共模方式在双绞线对链路的两对线之间提供与所述PD的数据通信，以便避免干扰以差模方式在所述双绞线对链路上进行的以太网数据的传输；
所述数据通信电路包括：
电流检测电路，用于检测对应于从PD接收的数据的电流值；和
电压发生电路，用于产生对应于待传输至PD的数据的电压电平。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述PD被设置成支持与所述PSE的数据通信。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述PD被设置成在所述PD接收到来自所述PSE的供电后启动与PSE的数据通信。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述PD被设置成在由IEEE 802.3af标准定义的低电流周期期间启动与所述PSE的数据通信。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述PD被设置成启动与所述PSE的数据通信以识别其自身。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述PD被设置成向所述PSE传输数据以确定所述PSE是否能够提供比IEEE 802.3af标准所要求的功率需量更高的功率。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述PSE被设置成向所述PD传输数据，以确认能够提供比IEEE 802.3af标准所要求的功率需量更高的功率。
8.根据权利要求3所述的系统，其中所述PD包括可变负载，用于在第一运行模式从所述PSE提取第一电流值和在第二运行模式从PSE提取第二电流值，所述第一和第二电流值对应于待传输至所述PSE的数据信号的相应逻辑电平。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述PD还包括电压检测器，所述电压检测器用于检测第一和第二电压电平，所述第一和第二电压电平对应于从所述PSE传输的数据信号的相应逻辑电平。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述电压检测器包括比较器，所述比较器用于将从所述PSE接收到的信号的电压电平与参考电压作比较，以检测从所述PSE传输的数据信号的逻辑电平。
11.根据权利要求1所述的系统，其中以太网数据的传输由与PoE系统相关的以太网系统提供。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述PSE还包括电流-电压变换器，用于产生代表由电流检测仪检测到的电流值的电压。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述PSE还包括比较器，所述比较器用于将所产生的电压和参考电压作比较，以确定从PD传输的数据信号的逻辑电平。
14.一种在以太网供电(PoE)系统中PD和PSE之间的数据通信的方法，所述方法包括以下步骤：
由PD通过双绞线对链路接收来自所述PSE的供电，
在PD接收来自PSE的供电之后，由PD启动数据传输以便以共模方式在双绞线对链路的两对线之间将来自PD的数据信号传输至所述PSE，以便避免干扰以差模方式在所述双绞线对链路上进行的以太网数据的传输，所述数据信号通过从PSE获得的PD运行电流值限定；和
由PD检测对应于由PSE传输的数据的电压电平。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在由IEEE 802.3af标准定义的低电流周期期间启动数据传输。
16.根据权利要求14所述的方法，其中由所述PD传输数据信号的持续时间受限于由IEEE 802.3af标准定义的250ms窗口。
17.一种用于在PoE系统中使PD能够支持与PSE数据通信的PD接口装置，所述PD通过双绞线对链路接收来自PSE的供电，所述PD接口装置包括：
可变负载，用于传输具有逻辑电平的数据信号，所述逻辑电平通过从PSE获得的PD运行电流值限定，所述数据信号在双绞线对链路上以共模方式被传输至PSE，以便避免干扰以差模方式在所述双绞线对链路上进行的以太网数据的传输，和
电压检测器，用于检测线电压电平，所述线电压电平对应于由PSE传输的数据的逻辑电平。
18.一种能够在PoE系统中支持与PD数据通信的PSE装置，所述PSE通过双绞线对链路向PD供电，所述PSE装置包括：
电流检测仪，用于检测由PD提取的电流值，所述电流值对应于从PD接收到的数据的逻辑电平，和
电压发生器，用于产生第一和第二线电压电平，所述第一和第二线电压电平对应于待传输至PD的数据信号的相应逻辑电平，所述数据信号在双绞线对链路上以共模方式被传输至PD，以便避免干扰以差模方式在所述双绞线对链路上进行的以太网数据的传输。
19.根据权利要求18所述的PSE装置，还包括电流-电压变换器，用于产生代表由电流检测仪检测到的电流值的电压。
20.根据权利要求18所述的PSE装置，还包括比较器，用于将所产生的电压和参考电压作比较，以确定从PD接收到的数据的逻辑电平。
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