PoE供电网络超高频读卡器设计

邱旭华

（公安部第一研究所，北京100048）

随着WLAN、VoIP、网络视频监控等业务的飞速发展，大量的Wireless LAN AP、IP Phone、IP Camera等基于IP的终端出现在人们生活周围。这些设备通常数量众多、位置特殊、数据电源线布线复杂、设备取电困难，其实施部署不仅消耗人力物力，增加建网成本，而且拖延了建设时间。

以太网供电PoE（Power over Ethernet）技术则通过在标准的以太网数据线缆上对所连接的网络设备（如Wireless LAN AP、IP Phone、Bluetooth AP、IP Camera等）进行远程供电的方法，避免了在每一台IP网络终端设备上都安装单独的电源设备的问题，不必在使用现场为设备部署单独的电源系统，能够极大地减少部署终端设备的布线和管理成本，推动了相关领域的发展。

科地通信推出PoE技术符合已大规模使用的IEEE 802.3af标准及最新的IEEE 802.3AF方案，供电设备方PSE（Power Sourcing Equipment）设备通过以太网电口对外供电，采用数据线提供DC48 V直流电源。当受电设备方PD（Powered Device）设备插到端口上后，交换机将自动对PD设备进行检测及功率分类，并根据当前剩余电源、端口供电优先级的配置、端口功率配置等参数，决定是否对此设备供电以及分配优先级。

1 PoE系统

PoE指的是在现有的以太网Cat.5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、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。PoE也被称为基于局域网的供电系统PoL（Power over LAN）或有源以太网（Active Ethernet），有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。

PoE相关特点：PoE技术能在确保现有结构化布线安全的同时，保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统PoE的新标准[1]，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。

1.1 系统构成

一个完整的PoE系统由供电端设备PSE（Power Sourcing Equipment）和受电端设备PD（Powered Device）两部分构成如图1所示。

图1 PoE系统构成框图

PSE设备是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。而PD设备是接受供电的PSE负载，即PoE系统的客户端设备，如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑（PDA）或移动电话充电器等其他以太网设备（实际上，任何功率不超过13 W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。两者基于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通过以太网向PD供电。

1.2 端点PSE（供电设备）

端点PSE在同一设备内集成了以太网交换机和电源，即PSE结合了IEEE 802.3af电源供电功能与数据终端设备（DTE）功能，或目前以太网交换机和集线器的转发器功能。这些PSE位于以太网连线的另一个端点（即网络连接的终端）上，并称为端点（endpoint）。这些端点一般通过数据线对（信号线对）输送电源，因为这些线对肯定连在PD上。这种以太网交换机有时被称为具有“在线电源”，如图2所示。端点PSE最适合于新的网络基础设施的部署。

1.3 中间PSE（供电设备）

中间PSE安装在数据交换机和PD之间的连线上，这类PSE称为中间（midspan）或称中跨，电源可利用中间PSE方式注入网线。中间PSE通过CAT-5电缆中的“空闲线对”提供电源。而数据线对则直接通过，即对于基于中间的网络而言，PD从一个已有的非802.3af交换机接收数据而从中间获得电源[2-3]。

图2 电源通过信号线对传送图

此类中间PSE，对于只有少数以太网设备需要电源的情况适用，这种方法更具成本效益。这样的典例通常是在一个局部区域内有4到24个端口，而它又是一个更大的多端口网络的一部分，如图3所示。

图3为采用MAx5935 PSE控和制器和MAX5940 PD接口的PoE供电系统设计简化方框图，该PoE供电系统可工作于千兆位以太网的PD，必须向后兼容于PSE应用，因此要从一个端点PSE交换机接收电源。

2 超高频读卡器

鉴于射频识别技术，即RFID技术的速发展和应用，该系统的超高频读卡器选择Impinj的R2000读写器。最基本的RFID系统由三部分组成：

（1）标签Tag（即射频卡）：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。

（2）阅读器：读取（在读写卡中还可以写入）标签信息的设备。

（3）天线：在标签和读取器间传递射频信号。

有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换。

系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号。当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

图3 PoE供电系统设计简化方框图

在耦合方式（电感-电磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、从射频卡到阅读器的数据传输方法（负载调制、反向散射、高次谐波）以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块[4]。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理图如图4所示。

图4 高频接口原理图

阅读器控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程（主-从原则）；信号的编解码。对一些特殊的系统执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。

目前，长距离射频识别系统的价格很高，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40%～80%。

以Impinj的R2000读写器为基础，读写器设计结构如图5所示。

其中AP Module和R2000 Module为已经做好的模块，它们之间用34P排线连接。硬件PCB设计的主要功能详细如下：

（1）Console接口

该接口采用思科RJ-45转DB9的技术，功能为AP模块的调试串口（UART3），控制台端口（DTE），RJ45-RJ45翻转电缆，RJ-45到DB-9端子适配器，控制台设备，详细定义如表1所示。

（2）USB-B

使用AP Module的USB-OTG接口转换成USB-B接口，USB 2.0 Devies。

图5 读卡器设计图

表1 硬件PCB主要功能

（3）RESET

系统复位，通过复位键或者处理器自带的看门狗给AP Module复位，AP Module再给外围设备复位，其中用GPIO_43给R2000模块复位，GPIO_39给USB3320复位，GPIO_40给LAN9514复 位。

（4）DB15接口

该接口用于外部扩展，内含一路串口，4路通用I/O输入，4路通用I/O输出，5V电源和地输出，0-30 V电源输入，具体定义如表2所示。

（5）天线接口

2路900M天线接口，TNC接头；1路2.45G天线接口，TNC接头。

（6）USB-HOST

USB-A接口，USB2.0 HOST，AP Module通过USB3320和LAN9514扩展的4路USB之一。

（7）R2000与AP Module的USB通信

AP Module通过USB3320和LAN9514扩展的4路USB之一，用于与R2000模块上的ARM7通信。

表2 DB15接口引脚定义

（8）NET

LAN9514通过AP Module的USB扩展，LAN9514内部带10/100M Ethernet Controller。

（9）POE

符合802.3at标准，5 V输出，最大功率25 W，采用TI的TPS23754芯片进行设计。

（10）WIFI

采用JORJIN的WG7310模块进行设计，符合IEEE 802.11b/g/n标准。

802.3af标准规定，在每个RJ45端口上，供电设备可以通过以太网双绞线向用电设备提供的最大功率约为13 W。如果超过这一功率，便可能会干扰以太网双绞线中数据信号的传输，所以有限的可用功率阻碍着PoE技术进一步的发展。在市场的推动下，IEEE于2004年9月成立了研究小组（PoE Plus）来讨论如何增加供电设备PSE输出的最大功率（高功率的PSE），以满足受电设备不断增加的功率需求。由PoE Plus研究组建立的新标准可能允许供电设备PSE输出30～40 W的功率，同时保证PoE系统的安全性和可靠性。在不久的将来，高功率PoE技术可以支持高功率的受电设备（HPD）直接通过以太网双绞线获得电源（如笔记本计算机等）。

PoE技术允许受电设备PD通过以太网线同时接收电能和收发数据，所以当设计新的数据网络系统或升级一个现有的网络系统时，采用PoE构架可以有效地减少投资成本，同时可以使网络运行更加稳定可靠，安装和维护更加便捷。目前，尽管支持PoE技术的前端供电设备和终端受电设备还不多见，但是由于PoE系统的低成本、高可靠性和易用性等特点，PoE技术必将很快被设备制造商和用户所接受。

[1]胡志华，郭其一.基于IEEE802.3af的以太网供电技术（PoE）[D].上海：同济大学，2007.

[2]陈英梅，段景汉，张家荣.以太网供电的关键技术解析[J].今日电子，2006（2）：45-47.

[3]殷君，薛吉.以太网供电技术的分析与设计[J].低压电器，2007（20）：39-43.

[4]宋静宇.超高频RFID读卡器设计与研究[J].硅谷，2010（24）.