PoE技术在座舱分布式数据采集系统中的应用

刘 凯，张立民，张兵强

（海军航空工程学院 山东 烟台 264001）

飞行模拟器座舱数据采集上一直以来采用集中式的采集方式来完成，这种方式在信号种类繁多和数量庞大的大型军机座舱模拟上的应用使得整套系统显得臃肿，设备维护复杂并且走线密集，上位机接口繁琐。

针对飞行模拟器座舱内数据采集的分散独立性和复杂性，本文采用了一种以以太网为传输网络的分布式的数据采集系统完成数据采集任务。以太网带宽大，可扩展性强，结构简单，成本低廉的特点保证了座舱数据采集的准确性和稳定性。

系统电源设计采用IEEE802.3af标准提出的PoE供电方案。在传输数据的信号线上，同时提供各个采集节点所需要的电源，简化了供电系统的管理，使系统配置更加简单，运行更加高效可靠。

1 PoE技术简介

PoE（Power Over Ethernet）[1]技术指的是在现有的以太网Cat5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机）传输数据信号的同时，还能为此设备提供直流供电的技术。

1.1 PoE系统组成

一套完整的PoE系统是由供电端设备PSE（Power Sourcing Equipment）和受电端设备 PD（Power Device）2 部分组成的。PSE即为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个PoE以太网供电过程的管理者，可以分为Midspan（PoE功能在交换机外）和Endpoint（PoE功能集成到交换机内）2种；PD为接受供电的PSE负载，即PoE系统的客户端。系统双方依据IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系，并以此为根据PSE通过数据传输线向PD供电。

1.2 PoE供电参数

IEEE802.3af标准[2]PoE系统的主要供电特征参数为：1）电压在 44～57 V之间，典型值为 48 V；2）允许最大电流为550 mA，最大启动电流为 500 mA；3）典型工作电流为 10～350 mA，超载检测电流为 350～500 mA；4）在空载条件下，最大需要电流为5 mA；5）为PD设备提供3.84～12.95 W 5个等级的电功率请求，最大不超过13 W。

1.3 PoE设备上电操作过程

PD设备在接入PSE系统时，获取电源的流程[3]为：1）检测（Detection），该步骤主要的操作是PSE通过检测电源输出线对之间的阻容值来判断PD是否存在。该阶段输出电压为2.8～10 V，只有检测到PD，PSE才会进行下一步的操作；2）分类 （Classification），PSE通过检测电源输出电流来确定PD功率等级。该阶段端口输出电压大小为15.5～20.5 V；3）上电（Power up），当检测到端口下挂设备属于合法的PD时，并且完成对此PD的分类，PSE开始对该设备进行供电，输出-48 V的电压；4）实时监控，电源管理（RTP&Power management）；5）断开（Disconnection），PSE会通过特定的检测方法来判断PD是否已经断开，如果PD断开，PSE将关闭端口输出电压，端口返回到检测状态。

2 分布式数据采集系统设计

飞行模拟器座舱数据采集系统主要完成飞行模拟器座舱各种信号的采集，并将其转换为计算机可识别的信号，通过上位机逻辑解算形成各种控制信号，然后输出给相应的模拟器控制设备的任务。

2.1 系统组成

该数据采集系统主要由3部分组成：1）数据采集电路，每个数据采集节点可以连接不同的设备，将模拟信号转化为数字信号，然后封装成以太网信号，与交换机相连，并且根据上位机指令能够控制设备完成一定功能；2）交换机，实现数据采集节点与座舱采集计算机的数据交互，并且作为PSE网络供电端为采集节点供电；3）座舱数据采集计算机，接收采集节点数据，并为设备提供各种控制信号。

2.2 数据采集电路组成

数据采集电路是由电源板和数据采集板2部分组成的，其中电源板为数据采集板供电并实现网络数据的交互；数据采集板处理设备状态信息。针对飞机座舱数据采集的具体实际，按照设备状态信息包括开入量信息（按钮，开关等）、开出量信息（指示信号灯和数码管等）以及模拟量信息（旋钮等）的分类，可基本确定数据采集电路的采集功能。设计采用的芯片如表1所示。

表1 数据采集板主要芯片Tab.1 Main chips on data collection board

RCM5700微处理器模块[4]为数据采集板的核心器件，特点是具备50 MHz的Rabbit 5000微处理器，芯片式10/100以太网，1 M并行内存，32位的输入/输出端口和6个串行端口，体积小巧，集成度高，工作电压为3.3 V，既可用于网络连接也可用于控制。

电源板的功能如下：1）作为PD设备通过网络获取电源，满足PoE供电过程的要求；2）辅助电源的供电，主要用于程序调试和防止PoE掉电；3）电源电压的变换，考虑到某些具体设备需要的28 V电压，因此需要将网络供电提供的48 V电压变换为3.3、5和28 V；4）网络数据的转发。

3 数据采集系统PoE技术的实现

PoE技术在系统的实现包括2部分：供电设备和受电设备。PoE供电总体设计如图1所示。

图1 PoE供电总体设计Fig.1 Overall design of PoE

设计选用内置PoE功能的以太网供电交换机作为供电设备，供电模式选用模式A（通过数据线对供电）。其中辅助电源是为了程序调试的方便设计的，同时也用来防止PoE掉电，保证数据采集系统的稳定。针对上层数据采集板供电需求，电源板在保证数据通信的同时，将PSE供电的48 V转换为 3.3、5和 28 V。

3.1 供电设备（PSE）

设计选用内置PoE功能的交换机DES-1228作为PoE供电设备，其供电性能特点为：1）完全兼容IEEE802.3af标准，每端口支持PoE功率最大为15.4 W；2）1台交换机最大支持PoE功率为170 W，平均每个端口为7 W；3）每台设备最大消耗功率为222 W；4）能够自动检测受电设备的连接，如果某端口电流超过350 mA，则在保持其他端口正常供电的情况下，自动断开该端口的供电；5）具有端口短路保护功能；6）采用模式A（通过数据线对）供电；7）具备电源管理系统，实现了对单个端口管理。

3.2 受电设备（PD）

受电设备即为数据采集电路，其电源板内部结构如图2所示。PD主要由电源数据隔离、PD接口控制器以及DC-DC转换3部分组成。

图2 电源板内部设计Fig.2 Internal design of power board

3.2.1 电源数据隔离部分

1）网络隔离变压器，由于PSE采用模式A供电，PD设备需要从数据信号中将直流DC信号去除，设计采用Sumlink公司的具有内部隔离变压器的ST-JP044网口完成以太网数据的耦合，提取采用数据线对传输的直流电能。

2）二极管桥，设计中包含2个二极管桥[5-6]，二极管桥的主要目的是避免电源信号极性侧转，实现自动极性纠正，引入两个电桥避免了PD设备可能被两种连线模式同时供电的错误情况。在这种设计下，当其中一种方式处于供电状态时，另一种方式的PD信号就会自然消失。

3.2.2 PD接口控制器

该控制器是PD端检测、分级特征信号和程控浪涌电流的集成隔离开关，是整个PD的核心内容。考虑到辅助电源的设计，设计采用了LM5073。该芯片是一款高度集成的电源IC，适用于以太网供电系统中的受电设备，将符合IEEE802.3af技术标准的用电设备接口和脉冲宽度调制控制器合二为一，并可以通过外接的交流电适配器取得电源供应。该芯片可为PD提供侦测特征信号和分级信号，此外还集成了一个可编程电流限制的集成开关，同时具有宽滞回供电模式欠压锁定（UVLO）以及“电源好”状态输出等功能。

1）芯片引脚设置，分级模过程中，PSE会根据PD所要求的功率对PD进行分级。芯片可以通过Rclass的选择进行可编程分级，由于设计采用通用化的思想，为了保证各个数据采集节点能够获得足够大的电力供应，故将CLASS引脚置空，使PD的功率范围为0.44～12.95 W；芯片还可对门限电压和限制电流进行编程设置，当UVLO引脚连接到VIN引脚时，芯片将选择默认的门限电压（38 V），考虑到选用PSE设备的高度稳定性，设计选用了默认的门限电压。针对PoE电流限制，芯片默认为440 mA，同时可以支持150～800 mA的编程范围调节，设定关系：

设计将限制电流设为800 mA，经过计算得：RDCCL=15.8 kΩ。

2）辅助电源选择，支持辅助电源设计是该芯片的主要特点。芯片支持前向或者后向辅助电源设计，两种设计的比较如表2所示。

表2 前向设计与后向设计比较[7]Tab.2 Comparison between FAUX and RAUX operation

图3 电压数据隔离电路Fig.3 Isolation circuit of voltage data

考虑到两种辅助电源的特点，设计选用前向辅助电源，既利用LM5073的电流限制和电压保护功能以此保证电源系统的稳定和安全，同时不需要增加额外的元件。设计提供了前向辅助电源接口J3，辅助电源电压范围为DC 20～57 V，保证系统在PoE供电出现故障时系统仍然可以正常工作。该部分电路设计如图3所示。

图4 DC-DC转换电路Fig.4 DC-DC switch circuit

3.2.3 DC-DC转换部分

DC-DC转换部分电路需要完成从PoE接收的电压48 V到3.3、5和 28 V的转换，设计采用了LM5576[8]作为降压元件。该芯片具备集成的75 V、170 mΩ的N通道MOSFET，输入电压范围为6～75 V并具有保护功能。在设计中实现了将PoE电压降至28 V；依靠益弘泰DC/DC模块电源YD10-24S05将28 V电压转换为5 V电压，最后3.3 V的转换则依靠MIC29150-3.3BU实现。该部分电路设计如图4所示。

4 结 论

为了验证设计的科学性和合理性，通过交换机的电源管理系统得出了实际采集电路的消耗功率，其远小于PoE标准所限定的13 W，并且通过交换机的PoE管理界面实现了采集电路的远程关闭和重启。

本文通过对飞行模拟器座舱数据采集系统电源模块进行分析，探讨并实现了采用PoE技术的供电系统的设计方案。经过实验，数据采集系统运行正常，节点供电稳定，网络保证了数据的可靠传输；系统的电源部分非常简洁，而且采集节点分布灵活多样，明显优化了模拟器系统布线，增强了系统的可靠性和扩展性。

[1] 华为技术有限公司.PoE技术白皮书 [EB/OL].（2007-10-08）[2010-04-01]. http://www.huawei.com/cn/products/datacomm/pdf/view.do?f=267.

[2] 朱含，张元凯，刑韬，等.基于PoE和以太网的分布数据采集系统[J].微计算机应用，2008，30 （3）:60-64.ZHU Han，ZHANG Yuan-kai，XING Tao，et al.Distributed data acquisition system based on POE and Ethernet[J].Microcomputer Applications，2008，30 （3）:60-64.

[3] IEEE 802.3af，Data terminal equipment （DTE）power via media dependant interface （MDI） [S].New York:IEEE Computer Society，June，2003.

[4] Digi International Inc.MiniCore RCM5700用户手册[EB/OL].（2008-12-01） [2010-04-01].http://www.rabbit.com/documentation/docs/manuals/RCM5700/RCM5700UM-SCH.pdf.

[5] 丁丁，黄成军，沈昊.以太网供电技术研究[J].自动仪表，2005，26 （1）:5-8.DING ding，HUANG Cheng-jun，SHEN Hao.The study on power over ethernet（POE）technology[J].Process Automation Instrumentation，2005，26 （1）:5-8.

[6] 刘佳，黄华.兼容IEEE802.3af的高功率以太网供电PD端设计[J].现代电子技术，2008，31（5）:160-162，164.LIU Jia，HUANG Hua.IEEE 802.3af-compatibility PD design for high power PoE [J].Modern Electronic Technique，2008，31（5）:160-162，164.

[7] National Semiconductor.LM5073100V power over Ethernet PD interface with aux support[EB/OL].（2010-02-16）[2010-04-01].http://www.national.com/profile/snip.cgi/openDS=LM5073.

[8] National Semiconductor.LM5576/LM5576Q simple switcher 75V，3A step-down switching regulator[EB/OL].（2009-05-23）[2010-04-01].http://www.national.com/profile/snip.cgi/openDS=LM5576.