CN1604546A - 实现冗余供电的以太网交换机及实现冗余供电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现冗余供电的以太网交换机及实现冗余供电的方法。特别提供了一种10M/ 100M自适应工业以太网交换机，它包括交换机接口和网络通讯管理模块，其中网络管理模块是由网络变压器、信号收发控制器、交换引擎和地址表组成，网络变压器连接交换机接口的引脚1/2、3/6，交换机还包括总线供电的电压调制解调电路，网络变压器连接电压调制解调电路，直流电源的输出端选择连接电压调制解调电路或选择连接交换机接口的引脚4/5、7/8。本发明实现了一根双绞线上既能传输以太网通信信号又能传送工作电流。本发明还增加了过载保护电路和冗余管理电路，提高了交换机的安全性。更重要的是，本发明提供了两种供电方式的可选性，保证了网络供电方式到总线供电方式的无缝过渡。

Description

实现冗余供电的以太网交换机及实现冗余供电的方法

技术领域

本发明属于网络通信及工业控制领域，尤其涉及一种实现冗余供电的以太网交换机以及实现冗余供电的方法。

背景技术

以太网的交换机和集线器在网络数据传送中都起着“枢纽”的作用。随着集线器产品的发展，由传统集线器到智能集线器，再发展到交换式集线器，集线器与交换机之间的界限已变得模糊。目前公知技术中的交换机或集线器通常只能实现以太网通信信号的转发，而不能对终端设备进行供电，因而它比较适合自动化办公设备(如计算机)的连接；但对于如IP电话、网络摄像机、特别是工业现场的变送器、执行机构等设备来说，就需要另外增加电源，这不仅给线缆铺设和网络维护带来不便，而且增加了产品成本和维护费用，并影响了系统的安全性和可靠性，从而使交换机或集线器的应用受到了限制。

申请号为01131996.8中公开了一种实现网络冗余供电的以太网集线器。上述以太网集线器包括以太网信号收发控制器、数据缓冲器、以太网帧转发控制器、地址表、集线器接口、过载保护电路和冗余管理电路。过载保护电路的输入端分别与外界电源连接，其输出端接至冗余管理电路的输入端，冗余管理电路的输出端连接集线器接口的引脚4/5、7/8。接口的引脚1/2、3/6用来传输通信信号，另外两对引脚4/5、7/8用来向终端设备提供工作电源，实现了在一根网络双绞线上同时传输数据和电力的效果。但在实际运用中，和集线器相连的终端设备千差万别，会碰到集线器提供的电源不能适用终端设备，或者接口的4/5、7/8两对引脚已定义成其它用途了，如100M工业以太网交换机中连接的4/5、7/8组线已做它用了，所以上述发明至少不能自适应100M以太网交换机，存在着很大的局限性。

发明内容

本发明目的在于提供一种应用范围广的实现冗余供电的以太网交换机及实现冗余供电的方法。采用了该交换机和方法，能降低网络布线的成本和提供工作电源的安全性和可靠性。

本发明公开了一种实现冗余供电的以太网交换机，它包括交换机接口和网络通讯管理模块，其中网络管理模块是由网络变压器、信号收发控制器、交换引擎和地址表组成，所述网络变压器连接所述交换机接口的引脚1/2、3/6，所述交换机还包括总线供电的电压调制解调电路，所述网络变压器连接电压调制解调电路，直流电源的输出端选择连接所述总线供电调制解调器或选择连接所述交换机接口的引脚4/5、7/8。

所述总线供电的电压调制解调电路包括：设置在输入端口的电压调制电路，其用于根据实际工作电压伏值的要求和网络变压器的不同特性从直流电源输出的恒定电压转换成所需频率与幅值的电压信号；以及设置在输出端口的电压解调电路，其用于将网络变压器输出的直流电压信号转换成终端设备所需的实际工作电压。在输入端口，网络变压器在其原级线圈的TX+、TX-的中间抽头连接电压调制电路输出电压的正极，RX+、RX-的中间抽头连接电压调制电路输出电压的负极；在输出端口，所述网络变压器在其原级线圈的TX+、TX-的中间取出所需电压的负极，在RX+、RX-的中间抽头取出所需电压的正极。所述交换机还包括过载保护电路和冗余管理电路，所述过载保护电路的输入端和直流电源连接，其输出端和所述冗余管理电路的输入端连接，所述冗余管理电路的输出端可选择连接所述总线供电的电压调制电路或选择连接所述交换机接口的引脚4/5、7/8。所述过载保护电路至少有两路并连的过载保护支路，所述过载保护支路由三极管T1、T2和电阻R1、R2组成，三极管T1的发射极接直流电源，发射极和基极之间接有电阻R1，三极管T1的集电极与三极管T2的基极并接后，经电阻R2接线，三极管T2的发射极与三极管T1的基极连接，三极管T2的集电极为输出端，连接所述冗余管理电路的输入端。所述冗余管理电路至少有两个并列的冗余管理支路构成，所述冗余管理支路由或门和二极管连接而成，或门的输入端分别与过载保护支路的输出端连接，或门的输出端连接二极管的阳极，二极管的阴极为所述冗余管理电路的输出端。

一种实现冗余供电的方法，它包括：(1)判断交换机接口的引脚4/5、7/8是否接收到直流电压信号，如果是，则交换机接口的引脚4/5、7/8传送冗余工作电源至网络终端，进行网络供电，否则进行步骤(2)；(2)判断网络变压器的线圈上是否接收到直流电压信号，如果是，则进行步骤(3)，否则结束；(3)将接收到直流电压信号调制至以太网通讯信号之上传递到网络终端；(4)将接收到的通信信号和电压信号进行分离，并将直流电压转换成终端设备用的直流工作电源。

该方法进一步包括步骤(1)和(2)中所述的直流电压信号先从直流电源输出再经过过载保护电路和冗余管理电路后输出。步骤(3)进一步包括网络变压器原级线圈的TX+、TX-的中间抽头连接调制电压的正极，RX+、RX-的中间抽头连接调制电压的负极，通过网线的1/2、3/6引脚同时向网络终端传输通信信号和冗余直流电源。步骤(4)进一步包括和输出端口连接的网络变压器的RX+、RX-的中间抽头上提取所需电压的正极，在TX+、TX-的中间提取所需电压的负极。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)网络变压器连接总线供电的电压调制解调电路，冗余管理电路的输出端选择连接电压调制电路或选择连接交换机接口的4/5、7/8引脚。当冗余管理电路的输出端连接在交换机接口的引脚4/5、7/8时，该供电方式为网络供电方式，利用以太网网线中未使用的4/5、7/8来承载供电，实现了一根双绞线上即能传输以太网通信信号又能传送工作电流。当冗余管理电路的输出端连接电压调制电路，将直流工作电压信号和以太网通信信号调制在传输以太网通信信号的网线1/2、3/6上，经解调后给终端设备提供直流电源，实现了通过这两组线在传输以太网通信信号的同时，又向终端设备提供工作电源的效果。终端设备无需另外增加电源，也降低了网络布线的复杂性，大大降低了设备的成本和维护的成本。更重要的是，本发明提供了两种供电方式的可选性，保证了网络供电方式到总线供电方式的无缝过渡，提供了一种10M/100M自适应工业以太网交换机。

(2)两种供电方式的供电前端都设有过载保护电路和冗余管理电路，当工作电流过大或发生误接线时，启动过载保护功能使电源电压不能到达输出端，从而起至过载保护的作用。冗余管理电路对具有相同输出电压值的两路独立电源进行逻辑或处理后，互为冗余。其中任一路直流电源出现故障，对外供电均不受影响，起到了冗余供电的作用。其过载保护电路和冗余管理电路的设计提高了工作电源的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的实现冗余供电的交换机结构图。

图2为网络通讯管理模块的结构框图。

图3为本发明的交换机RJ45接口引脚示意图。

图4为本发明总线供电方式的结构示意图。

图5A为本发明的总线供电方式的直流调制电路示意图。

图5B为本发明的总线供电方式的直流解调电路示意图。

图6为本发明的过载保护电路与冗余管理电路框图。

图7为本发明所采用的过载保护与冗余管理电路原理图。

图8为本发明的端口供电方式选择示意图。

图9为本发明实现冗余供电的流程图。

具体实施方式

请参阅图1、图2，该交换机包括网络通讯管理模块1、交换机接口2、过载保护电路和冗余管理电路3。网络通讯管理模块1包括网络变压器11、信号收发控制器12、交换引擎13和地址表14。本发明的交换机接口2采用RJ45接口。网络变压器11原边和RJ45接口2的引脚1/2、3/6连接，用于接收来自RJ45接口2的曼彻斯特编码信号(Manchester Code)，副边连接信号收发控制器12，收发控制器12和交换引擎13连接，交换引擎13和地址表14连接。交换机从一个端口收到以太网帧，先经过以太网网络变压器11送到以太网信号收发控制器12(该信号收发控制器12可采用BCM5328集成芯片)，由以太网搜索引擎13根据报文帧内包含的目的地址查询地址表14，得到目的地址所在端口，进行数据交换，并将该信息帧从目的端口发送出去。RJ45接口的1/2、3/6作为信号线接口用，用作通信信号传递。本发明的交换机在以上的结构的基础上进行改进，使一根双绞线上即能传输以太网信号又能传送工作电流。并且该发明还提供了两种供电方式：网络供电方式和总线供电方式。

请参阅图3，RJ45接口2的引脚1/2、3/6两组线用作信号传递，在引脚4/5和引脚7/8可以连接两组直流电源，这是本发明的网络供电方式。利用了以太网网线中未使用的4/5、7/8线对来承载供电，有效地利用了RJ45剩余引脚，实现了一根双绞线上即传输以太网信号又能传输工作电流。

请参阅图4、图5，详细介绍本发明的总线供电方式的结构原理图。在网络变压器11上连接总线供电的电压调制解调电路。直流电源连接电压调制电路。当选择总线供电方式，将直流电源连接到电压调制电路上，在输入端口上将直流电流信号调制到通信信号上，而输出端口则进行一个解调步骤，实现通过一根双绞线的1/2、3/6两组线上既能传输通信信号又能传送直流电流。

下面就一个实施例进行说明。总线供电的电压调制解调器电路由电压调制电路15和电压解调电路16组成。电压调制电路15和输入端口连接，而电压解调电路16和目标端口连接。电压调制电路根据实际工作电压伏值的要求和网络变压器的不同特性将从直流电源输出的恒定电压转换成所需频率与幅值的电压信号，电压解调电路将网络变压器输出的直流电压信号转换成终端设备所需的实际工作电压。在输入端口，网络变压器11原级线圈的TX+、TX-的中间抽头连接调制电压的正极(如+24V)，RX+、RX-的中间抽头连接调制电压的负极(如GND)，将直流电流信号直接调制至通信信号之上。通过网线的1/2、3/6引脚同时向网络终端传输数据信号和冗余直流电流，在输出端口的网络变压器的RX+、RX-的中间抽头抽取直流电压的正极(如+24V)，TX+、TX-的中间抽头抽取直流电压的负极(GND)，再经电压解调电路进行解调并转换成设备用的直流工作电源。这种总线供电方式利用网络变压器的隔离功能把直流信号与通讯信号分开，从而不会影响交换机的通信功能。传统网络终端器是通过两个150欧姆的电阻将TX、RX的中间抽头连接起来，再通过电容连接起来。而本发明的直流调制电路15、直流解调电路16采用了中间抽头分别通过电阻、电容后接地，既保留了网络终端器的功能，同时保护了通讯质量也实现了总线供电的目的。

请参阅图1，上述的网络供电方式和总线供电方式的供电电路的前端都包括设置在交换机内部的过载保护电路和冗余管理电路3，通过过载保护电路使得在工作电流过大或发生误接线的情况下，能自动切断电源，交换机本身及终端设备不会造成损坏，冗余保护电路由至少两具并列的冗余管理支路构成，实现了电源调理和冗余功能，从而提高了电源输出的可靠性。

请参阅图6和图7，该过载保护和冗余管理电路3至少包括两路并连的过载保护支路21和22、至少有两个并列的冗余管理支路23和24构成。其中过载保护支路21由三极管T1、T2和电阻R1、R2组成，三极管T1的发射极接在直流电源上，发射极和基极之间接有电阻R1、三极管T1的集电极和三极管T2的基极并接后，经电阻R2接线，三极管T2的发射极与三极管T1的基极连接，三极管T2的集电极为输出端，它与冗余管理2电路的输入端连接，在工作电流处于正常范围时，三极管T1截止，三极管T2导通，输出正常电压；当工作电流过大时，三极管T1导通，三极管T2截止起到过载保护作用。过载保护支路22的电路结构与工作原理与过载保护支路21相同。而冗余管理支路23由或门Y1和二极管D1连接而成，或门Y1的输入端分别与过载保护支路21、22的输出端连接，或门的输出端接二极管D1的阴极，二极管D1的阴极接输出接口，二极管D1起到防止错误接线的作用。冗余管理支路24和冗余管理支路23的电路组成部件和原理相同，不再赘述。由于过载保护电路的两路输出分别接于两个冗佘管理支路23和24的或门的输入端，输出两路电源电压，其中任一路输入电源出现故障，输出仍为两路电源，从而起到冗余供电的作用。

图8为本发明的端口供电方式的选择示意图。本发明提供了三种供电方式的选择，一种是网络供电方式，一种是总线供电方式，还有一种为总线不供电的方式。当开关拨至1不对外供电时，冗余管理电路的输出端连接在一个端子上，则电源难以通过交换机接口2输送至终端设备上，所以该方式不供电。当开关拨至2时采用总线供电方式，冗余管理电路的输出端和总线供电调制解调器连接，直流工作电压信号和以太网通信信号调制在传输以太网通信信号的网线1/2、3/6上，经解调后给终端设备提供直流电源，当开关拨至3采用网络供电方式时，冗余管理电路的输出端连接在交换机接口的引脚4/5、7/8上，使得一根双绞线上既传送通信信号又传送电源至网络终端。

根据以上的交换机的结构，现说明本发明完成冗余供电的方法。

S110：判断供电的方式是否是网络供电方式，即交换机接口的引脚4/5、7/8是否接收到直流电压信号，如果是则通过接口的4/5、7/8传送电源至终端设备，完成网络供电，否则进行步骤S120；

S120：判断网络变压器的线圈上是否接收到直流电压信号，如果是，则进行步骤S130，否则结束；

S130：将接收到直流电压信号调制至以太网通讯信号之上传递到网络终端。如采用在网络变压器原线圈的TX+、TX-的中间抽头连接调制电压的正极，RX+、RX-的中间抽头上连接调制电压的负极，通过网线的1/2、3/6引脚同时向网络终端传输冗余直流电源。

S140：将接收到的通信信号和电压信号进行分离，将电压转换成终端设备用的直流工作电源。和输出端口连接的网络变压器的RX+、RX-的中间抽头上提取所需工作电压的正极，在TX+、TX-的中间提取所需工作电压的负极。

为了提高电源输出的可靠性，步骤要S110和S120中的直流电压信号可以先从直流电源输出再经过过载保护电路和冗余管理电路后输出。并且为了提高电源输入的可靠性，可将直流电源先通过外部的过载保护电路和冗余管理电路4后再输入到交换机。

以上公开的仅为本发明的一个实施例，但并非局限于此，本领域的技术人员能思之的变化如将其应用在集线器上等都应落在本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求为主。

Claims (10)

1、一种实现冗余供电的以太网交换机，它包括交换机接口和网络通讯管理模块，其中网络管理模块是由网络变压器、信号收发控制器、交换引擎和地址表组成，所述网络变压器连接所述交换机接口的引脚1/2、3/6，其特征在于，所述交换机还包括总线供电的电压调制解调电路，所述网络变压器连接电压调制解调电路，直流电源的输出端选择连接所述总线供电调制解调器或选择连接所述交换机接口的引脚4/5、7/8。

2、如权利要求1所述的实现冗余供电的以太网交换机，其特征在于，所述总线供电的电压调制解调电路包括：

设置在输入端口的电压调制电路，其用于根据实际工作电压伏值的要求和网络变压器的不同特性从直流电源输出的恒定电压转换成所需频率与幅值的电压信号；以及

设置在输出端口的电压解调电路，其用于将网络变压器输出的直流电压信号转换成终端设备所需的实际工作电压。

3、如权利要求2所述的实现冗余供电的以太网交换机，其特征在于，在输入端口，网络变压器在其原级线圈的TX+、TX-的中间抽头连接电压调制电路输出电压的正极，RX+、RX-的中间抽头连接电压调制电路输出电压的负极；在输出端口，所述网络变压器在其原级线圈的TX+、TX-的中间取出所需电压的负极，在RX+、RX-的中间抽头取出所需电压的正极。

4、如权利要求1所述的实现冗余供电的以太网交换机，其特征在于，所述交换机还包括过载保护电路和冗余管理电路，所述过载保护电路的输入端和直流电源连接，其输出端和所述冗余管理电路的输入端连接，所述冗余管理电路的输出端可选择连接所述总线供电的电压调制电路或选择连接所述交换机接口的引脚4/5、7/8。

5、如权利要求4所述的实现冗余供电的以太网交换机，其特征在于，所述过载保护电路至少有两路并连的过载保护支路，所述过载保护支路由三极管T1、T2和电阻R1、R2组成，三极管T1的发射极接直流电源，发射极和基极之间接有电阻R1，三极管T1的集电极与三极管T2的基极并接后，经电阻R2接线，三极管T2的发射极与三极管T1的基极连接，三极管T2的集电极为输出端，连接所述冗余管理电路的输入端。

6、如权利要求4所述的实现冗余供电的以太网交换机，其特征在于，所述冗余管理电路至少有两个并列的冗余管理支路构成，所述冗余管理支路由或门和二极管连接而成，或门的输入端分别与过载保护支路的输出端连接，或门的输出端连接二极管的阳极，二极管的阴极为所述冗余管理电路的输出端。

7、一种实现冗余供电的方法，其特征在于，它包括：

(1)判断交换机接口的引脚4/5、7/8是否接收到直流电压信号，如果是，则交换机接口的引脚4/5、7/8传送冗余工作电源至网络终端，进行网络供电，否则进行步骤(2)；

(2)判断网络变压器的线圈上是否接收到直流电压信号，如果是，则进行步骤(3)，否则结束；

(3)将接收到直流电压信号调制至以太网通讯信号之上传递到网络终端；

(4)将接收到的通信信号和电压信号进行分离，并将直流电压转换成终端设备用的直流工作电源。

8、如权利要求7所述的实现冗余供电方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中所述的直流电压信号先从直流电源输出再经过过载保护电路和冗余管理电路后输出。

9、如权利要求8所述的实现冗余供电的方法，其特征在于，步骤(3)进一步包括网络变压器原级线圈的TX+、TX-的中间抽头连接调制电压的正极，RX+、RX-的中间抽头连接调制电压的负极，通过网线的1/2、3/6引脚同时向网络终端传输通信信号和冗余直流电源。

10、如权利要求9所述的实现冗余供电的方法，其特征在于，步骤(4)进一步包括和输出端口连接的网络变压器的RX+、RX-的中间抽头上提取所需电压的正极，在TX+、TX-的中间提取所需电压的负极。

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