CN200980086Y - 一种可控的高功率工业以太网供电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型请求保护一种可控的高功率工业以太网供电设备，属于工业网络控制产品。该供电设备包括以太网供电控制和数据通信两大部分，可以对设备端口进行供电控制和完成数据的转发。以太网供电控制中状态监视电路处理从以太网端口状态信号端采集的受电设备PD接入状态信息，微处理器控制电源通断管理电路对提供给受电设备的电源信号作接通或断开的管理。该以太网供电设备向受电设备所能提供的最大功率由过流保护电路中的自恢复保险丝的保持电流参数进行控制。能提供更大功率电源，实现了对自身和受电设备PD的灵活管理。

Description

一种可控的高功率工业以太网供电设备

技术领域

本实用新型涉及计算机网络和工业自动化控制领域，具体是一种网络设备。

背景技术

IEEE802.3af标准限制供电设备(PSE：Power Sourcing Equipment)提供+48VDC/15.4W的电源，向受电设备(PD：Powered Device)端提供的功率为12.95W。而在工业以太网的实际中，终端设备工作电压为+24VDC、需求功率大于IEEE802.3af标准所规定12.95W，目前市场上满足标准规定的网络设备供电电压和功率均不能满足这种需求，因此必须在双绞线和RJ45的最大安全工作范围内，对标准的PSE进行改造或提供新的解决方案。

本发明人于2005年4月7日提出的中国实用新型专利申请(申请号：200520009123)，设计了一种能提供高功率的以太网供电设备，通过普通CAT-5双绞线对EPA接入设备和现场设备提供电源，并完成各设备之间的数据交换，能满足工业以太网现场设备的供电电压和功率要求，然而，由于采用纯硬件设计实现，这种工业以太网供电设备存在用户不可控的缺点，导致设备的应用缺乏灵活性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可控的高功率工业以太网供电设备，应用于工业现场控制中，使之在对EPA系统中各接入设备和现场设备提供稳定、高效的+24VDC电源同时，完成各设备之间的数据交换。

本实用新型解决上述问题的技术方案是，设计一种可控的高功率工业以太网供电设备。该供电设备包括以太网供电控制和数据通信两大部分，可以对设备端口进行供电控制和完成供电端口同数据上行端口之间的数据交换。

数据通信部分中，以太网端口RJ45接口的数据端经网络隔离变压器连接以太网交换芯片实现数据的转发，微处理器MCU作为以太网供电管理部分的控制处理器，外接JTAG接口和通用串行接口，微处理器输出电源控制信号通过电源管理电路控制以太网端口RJ45接口的控制信号输入端，以太网端口RJ45接口的状态信号输入端采集的现场设备状态信息经状态监视电路处理后送入微处理器输入端。电源管理电路中开关电源的输出经过流保护电路、过压保护电路送入RJ45接口的控制信号输入端，电源通断管理电路的输出也连接上述控制信号输入端，微处理器控制电源通断管理电路对提供给受电设备的电源信号作接通或断开的管理。状态监视电路用于处理从以太网端口RJ45接口状态信号端采集的受电设备PD接入状态信息。外接JTAG接口遵循边界扫描技术标准IEEE1149.1的定义，用于下载和调试程序；通用串行接口实现本以太网供电设备和监控主机之间的数据通信。该以太网供电设备向受电设备所能提供的最大功率由过流保护电路中的自恢复保险丝的保持电流参数进行控制。该以太网供电设备向监控终端发送设备工作状态信息，同时从监控终端接收供电端口控制信息。

本实用新型采用单片机控制技术、以太网供电技术和以太网数据转发控制技术实现，应用于工业控制自动化以太网EPA系统中，能够提供EPA接入设备和现场设备工作所需的+24VDC电压，大于等于17.5W功率的稳定可靠的电源，并完成各个EPA设备之间数据交换，实现了对它自身和受电设备PD的灵活管理，设备具有可控性。

附图说明

图1为本实用新型系统结构图

图2为电源管理电路结构框图

图3为电源管理电路原理图

图4为电源管理电路运行控制流程图

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本实用新型的技术方案作具体说明：

图1为可控的高功率工业以太网供电设备的系统结构图。该以太网供电设备包括以太网供电管理和数据通信两大部分，其中以太网供电管理部分由微处理器MCU(1)作为中央控制处理器，进行端口供电状态的监测和完成对端口供电的控制，以太网端口RJ45接口7的供电状态信号输出端连接状态监视电路4的输入端，状态监视电路输出端连接微处理器通用I/O端口的输入端，微处理器通用I/O端口的输出连接电源管理电路5输入端口，电源管理电路输出连接以太网端口RJ45接口的控制信号输入端，提供电源控制信号。用户监测的工业现场设备的工作状态信息由以太网端口RJ45接口的状态信号输入端经状态监视电路处理后从通用I/O端口送入微处理器输入端，微处理器处理后发送控制命令，通过通用I/O端口向电源管理电路发送相应的控制信息，实现对以太网供电设备的监控。晶振8构成的振荡电路为微处理器MCU提供工作时钟，MCU外接JTAG接口9、通用串行接口10，JTAG接口9遵循边界扫描技术标准IEEE1149.1的定义，为下载和调试程序提供了便利；通用串行接口UART实现本以太网供电设备和监控主机之间的数据通信。

数据通信部分中，以太网端口RJ45接口的数据端经网络隔离变压器6连接以太网交换芯片2构成的以太网帧转发控制器的I/O端口，实现数据的转发。上连RJ45接口14接入以太网帧转发控制器的上连端口，用于将设备接入数据网络。以太网交换芯片外接晶振12构成的振荡电路，为以太网帧转发控制器提供工作时钟。

微处理器MCU可选超低功耗的单片机MSP430F148，实现低功耗。以太网交换芯片可选TC3097-8构成以太网帧转发控制器实现10M/100M数据交换。

状态监视电路用于处理从RJ45接口7上采集的受电设备PD接入状态信息，并将信息传入MSP430F148单片机的通用I/O端口P2的P2IN寄存器。电源管理电路用于为+24VDC电源输出电路进行过流、过压、滤波等等处理，有效保证供电设备能够向受电端提供高效稳定干净的电源。MSP430F148单片机的P4端口上输出的8位控制信息，接入电源管理电路，用于分别对设备的RJ45供电端口进行通断管理。网络隔离变压器连接在RJ45端口和以太网帧转发控制器之间，用于对RJ45端口上的输入/输出数据进行隔离。开关电源用于从输入的+24VDC电源中变压分离出维持理器工作所需的+3.3VDC电源和以太网帧转发控制器工作所需的+5VDC电源，并直接对电源管理电路提供+24VDC电源。RJ45接口为设备的电源/数据接口，EPA系统中的接入设备和现场设备通过它从供电设备中获取工作所需的电源和数据。上连RJ45接口14接入以太网帧转发控制器的上连端口，用于将设备接入数据网络。

图2为电源管理电路结构框图，电源管理电路由过流保护电路15、过压保护电路16、供电状态指示灯电路17、电源通断管理电路18构成。开关电源11输出的直流稳压信号经过流保护电路15、过压保护电路16送入RJ45接口7的控制信号输入端，电源通断管理电路18的输出端也连接到RJ45接口7的控制信号输入端，微处理器I/O端口连接电源通断管理电路，对提供给网络受电设备的电源信号作接通或断开的管理，当受电设备PD(须将此类设备的RJ-45接口的4与5号引脚互连，7与8号引脚互连)通过以太网线缆连接到本网络供电设备时，该设备的数据/电源输出接口的4/5和7/8号引脚上才会提供有直流电源，受电设备断开后电源通断管理电路会马上切断端口上提供的电源。供电状态指示灯电路17串接在过流保护电路15和电源通断管理电路18之间，指示该路直流电源供电正常与否。该以太网供电设备向受电设备所能提供的最大功率由过流保护电路中的自恢复保险丝的保持电流参数进行控制，改变保持电流参数的参数值，则可改变提供给受电设备的输出功率值，该功率值的提高可根据传输线缆能够承载的功率范围进行设定。也可以在过流保护电路中采用其它方式控制供电设备的最大输出功率值。

该供电设备的数据信号和电源信号共同接入RJ45接口7，RJ45接口7的1/2和3/6号引脚上连接的线对用于传输以太网数据信号，4/5和7/8号引脚上连接的线对用于承载供电。

图3为电源管理电路电原理图。电源通断管理电路18由固态继电器K1、稳压二极管D1、分压电阻R1和三极管Q1组成。固态继电器K1的输入控制端的“+”(c号引脚)接入高电平VDD，输入控制端的“-”(d号引脚)连接到NPN型三极管Q1的集电极。三极管Q1的发射极接地，基极接入分压电阻，然后接入单片机的I/O端口。开关电源经过流保护电路15中的自恢复保险丝F1连接到固态继电器K1的输出控制端的“+”(a号引脚)，而K1的输出控制端的“-”(b号引脚)经供电状态指示灯电路17后与RJ45接口的4和5号引脚相接。当单片机I/O接口的输出信号使得Q1基极电平为高时，Q1导通，这时固态继电器K1的“+”“-”输入端之间有满足工作电压的电势差，从而使K1的输出端接通，从而在RJ45接口的供电端口4/5及7/8引脚上将提供有直流电源。稳压二极管D1用于限制固态继电器K1输入端的电压值。供电状态指示灯电路17由二极管D3、发光二极管D2、三极管Q2和电阻R2、R3组成。二极管D3的阳极和三极管Q2的发射极与过流保护电路15中的自恢复保险丝F1的一端相接；二极管D3的阴极经电阻R2与三极管Q2的基极电连接；三极管Q2的集电极经电阻R3与发光二极管D2的阳极连接，而发光二极管D2的阴极连接到电源地。当无受电设备连接到本供电设备时，三极管Q2截止，集电极电流为零，发光二极管D2不会被点亮；而当接上受电设备时，三极管Q2导通，集电极有电流流过，发光二极管D2被点亮，从而起到指示供电状态的作用。自恢复保险丝F1的保持电流参数设置了RJ45接口能提供的最大功率，通过改变F1的保持电流参数可改变该以太网供电交换机提供给受电设备的输出功率等级，从而突破了传统以太网供电系统提供给受电端的电源最大功率只能为12.95W的局限，使得较高功率(可达30W)的受电设备能够由以太网交换机等供电设备通过连接RJ45接口7的双绞线供电。并且不必采用昂贵的专用芯片，降低了设备的制造成本。

状态监视电路主要由分压电路和滤波电路构成。在分压电路中接入一个阻值很大的电阻，用于确保对单片机I/O接口输入一个较小的电压值，从而起到保护单片机的作用。RJ45的7号管脚接地，8号管脚经滤波电路和分压电路接入单片机的I/O接口。当RJ45接口上接入受电设备时，RJ45接口的7/8管脚将通过受电设备端连接在一起，此时，单片机的I/O接口上将检测到低电平信号。根据这个低电平信号，可以确定受电设备的接入与否。

图4所示为中央控制处理器运行控制流程图。初始化完成对处理器工作状态的初始设置，主要包括系统时钟设置、通用I/O端口初始化和串口(USART)设置初始化。初始化工作完成后循环执行如下操作：1、打开系统中断，接收从监控终端发送过来的端口控制信息；2、判断是否收到控制信息；3、如收到控制信息，将收到的数据传送到P4OUT寄存器，实现对供电端口(RJ45接口7)的电源通断控制；4、若未收到控制信息，将P2IN的数据取反后传送到P4OUT，也完成对相应端口(RJ45接口7)的电源通断控制；5、将P2IN中的端口状态信息发送给监控终端。

在监控终端，运行可视化的程序，用于直观的显示设备的工作状态(可用图形模拟设备指示灯)和方便的完成对设备供电与否的控制(可用复选框实现)。终端监控程序在执行时，首先驱动监控终端串口，然后通过串口对设备中的单片机进行读写，从而完成监视和控制的功能。主要循环执行以下操作：1、检测串口上是否有状态信息数据输入，当有数据输入时，将这些信息数据转换成相应的指示灯(红或绿/闪烁或持续亮)状态，显示在终端界面上；2、判断是否需要向单片机写入控制信息，当需要写入控制信息时，将选中的操作(供电或禁止供电)数据存放在一个字符数组中，将此字符数组通过终端串口写入设备的单片机中。

虽然说明书中是以MSP430F148单片机和TC3097-8以太网帧转发控制器实例对该工业以太网供电设备进行描述，但本领域技术人员应能理解，本申请的工业以太网供电设备中运用的处理器和转发芯片并不仅仅限于MSP430F148和TC3097-8，本供电设备可以用具有通用I/O端口、通用串行异步同步接口USART和JTAG接口的所有单片机和所有的以太网数据交换芯片实现。

本实用新型能无差别的完成各个EPA设备之间数据交换，设备所具有的可控性，实现了对它自身和受电设备PD的灵活管理。实现了对各个供电端口的管理，为EPA系统中各个设备的管理提供了极大的便利。

Claims (3)

1、一种可控的高功率工业以太网供电设备，包括以太网供电管理和数据通信两部分，数据通信部分中，以太网端口RJ45接口的数据端经网络隔离变压器连接以太网交换芯片实现数据的转发，微处理器MCU作为以太网供电管理部分的控制处理器，外接JTAG接口和通用串行接口，其特征在于，微处理器输出电源控制信号通过电源管理电路控制以太网端口RJ45接口的控制信号输入端，以太网端口RJ45接口的状态信号输入端采集的现场设备状态信息经状态监视电路处理后送入微处理器输入端。

2、根据权利要求1所述的高功率工业以太网供电设备，其特征在于，电源管理电路中开关电源的输出经过流保护电路、过压保护电路送入RJ45接口的控制信号输入端，电源通断管理电路的输出也连接上述控制信号输入端，微处理器I/O端口连接电源通断管理电路对提供给受电设备的电源信号作接通或断开的管理。

3、根据权利要求2所述的高功率工业以太网供电设备，其特征在于，过流保护电路中的自恢复保险丝通过固态继电器连接RJ45接口的供电端口。

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