采用PoE供电的高速以太网分布式数据采集系统

(海军装备部驻重庆地区军事代表局，重庆 630042)

引 言

分布式数据采集已经成为了目前大规模数据采集的优先选择方式。长期以来，数据采集常规使用的集中式采集方式在信号种类繁多和数量庞大的大型分布式系统中的应用，极易导致系统连接复杂、难以后期维修保养、数据中心设置臃肿。

本文采用以太网为传输网络的分布式数据采集系统[1]来完成远距离、大规模数据的采集、处理任务。本设计采用RCM5700微处理器模块构成数据采集核心以满足任务需求。同时针对传统数据采集节点单独设置的复杂供电系统，该数据采集方案采用了基于IEEE802.3af[2]标准提出的PoE供电设计，简化了供电系统管理，使得系统配置更加简单、运行更加高效、维护更加便利。经过以太网数据传输与供电管理，系统具备了可靠性高、成本低、结构简单等优点。

1 系统的分析设计

数据采集系统主要完成各个节点的信号收集，并将其转换为数据中心可以识别处理的信息；数据中心接收到采集的数据以后，按照中心控制逻辑关系，对其进行处理并输出终端控制信息，从而完成数据的采集、处理以及输出任务。

1.1 需求分析

针对常规数据采集的需要，依据系统内数据采集情况，对其进行分类。

(1)数字开关量信号

常规数据系统对于分布的数字开关量信号，往往关注的是其开、关两种状态变化。对于开关对应产生的控制信号，由数据中心完成逻辑判断输出。

(2)输出量信号

常规数据系统的输出信号包括各种指示信号灯和数码管等设备，这部分信号经过数据中心逻辑解算得出结果，继而通过显示输出系统进行控制。

(3)模拟量信号

常规数据系统的模拟量信号往往是旋钮信号。在实际采样中，通过数据采集节点的A/D变换功能将该模拟量信号转换为数字量信号，完成采集。

1.2 系统设计方案

整个数据采集系统是基于以太网完成的数据交互。系统中的数据采集节点通过单片机控制数据采集电路完成数据采集任务，可以利用较为成熟的嵌入式系统设计方案，从而降低开发成本；通过以太网传输采集节点状态，可以随机增删节点，从而提高系统可扩展性；通过PoE供电的方式为节点提供电源供应，可以简化系统供电系统，从而优化节点设计、节约接口资源。

数据采集系统主要由3部分组成：

① 数据采集节点。每个采集节点可以连接不同的终端设备，完成将模拟信号转换为数字信号的任务，进而将其封装成以太网信号，通过交换机与数据中心完成数据交互，并且根据中心指令控制终端设备完成一定功能。

② 交换机。交换机完成数据采集节点与数据处理中心的数据交互，同时作为PoE中的PSE网络供电端为数据采集节点供电。

③ 数据处理中心。中心能够运行显控程序，接收采集节点提供的数据，并为各个终端设备提供控制信号，是整个系统的人机交互终端。

系统总体结构如图1所示。

图1 数据采集系统结构图

2 系统实现

2.1 电源系统设计

2.1.1 PoE简介

PoE[3-4](Power over Ethernet)是指在现有的以太网Cat5布线基础架构下，不作任何改动而为一些基于IP的终端设备(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。

一个完整的PoE系统包括供电端设备(Power Sourcing Equipment，PSE)和受电端设备(Power Device，PD)两部分。PSE为PoE系统中向终端提供电力支持的设备，并且同时具备PoE供电过程管理的能力，该类型设备可以分为两种：Midspan (PoE功能在交换机外)和Endpoint(PoE功能集成到交换机内)。PD为接收供电的PSE负载，即PoE系统的客户端。PD端依据IEEE802.3af标准，向PSE发送当前端口设备网络连接、功耗等级、输入输出类别等方面的信息，进而PSE依据此信息决定PoE供电等级，从而通过以太网向其供电。

设计选用内置PoE功能的交换机TL-SG3226PE作为PoE系统的供电设备，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30 W；②1台交换机最大支持PoE功率为370 W，平均每个端口为40 W；③每台设备最大消耗功率为422 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具备电源管理系统，实现了对单个端口最大功率设置。

2.1.2 PD电源系统设计

PD电源系统功能如下：接收PSE电源供电，满足PoE供电过程要求；实现电压的变换，为满足多种外接设备供电要求，将PoE网络供电电压由27 V变换为3.3 V和5 V；实现数据的网络转发。

根据设计要求，电源系统设计如图2所示。

图2 PoE供电总体框图

为了更加便于网络信号检测，设置PoE供电模式为通过数据线对供电的模式A。为了满足PoE供电要求，选用美国国家半导体公司的LM5073[5]作为PD端核心芯片，为PD端检测PoE特征以及分级特征等相关信号，完成PoE供电过程。

该芯片是一款高度集成的电源IC，内部由符合IEEE802.3af技术标准的用电设备接口与脉冲宽度调制控制器结合在一起，并可以通过外接的交流电适配器取得电源供应，因此既可以将其应用于PoE中的PD设备，又可作为单纯的电压稳压芯片使用。此外，该芯片还搭载了能够实现电流限制的编程门控，并且能够对电源工作状态进行输出，具有良好的交互形式。

J3端输出由MIC29150-3.3BU芯片来实现，最大输出电流为1.5 A。J4端输出由开关电源芯片LM5576以及电源模块YND5-24S05来实现。

2.2 数据采集模块设计

2.2.1 硬件设计

(1)微处理器

设计MCU采用Digi公司的RCM5700[7]微处理模块。RCM5700是一种适用于以太网应用的高性能片上系统，其尺寸小、性能强，核心处理器为工作频率可达50.0 MHz的Rabbit5000；系统具有35路通用I/O，且可最多配置为4种功能；系统具有128 KB的静态随机内存和1 MB的内存；外部I/O总线可作为8条数据线；为了增强系统稳定性，系统还搭载了备用时钟以及看门狗。

在RCM5700模块上搭载的微处理Rabbit5000是专门为嵌入式控制、通信和网络连接应用而设计，具备24位地址总线、8/16位数据总线、128 KB内存高速16位SRAM、8个DMA通道和6个串口；该芯片众多的功能集成加速了硬件设计并且支持C的指令集，即使针对最复杂的应用也可以实现高效开发。

(2)数据采集板设计

数据采集板需要额外的芯片来完成数据采集的任务，其总体的结构图如图3所示。

图3 数据采集板总体结构图

该数据采集板可完成的功能有：①可以实现最多16×16的键盘扫描；②最多30路开关量直接采集信号输入；③最多30路直接输出控制信号线；④可以实现RS422全双工通信和RS485半双工通信；⑤具有4通道的A/D转换；⑥具有网络通信功能；⑦通过USB口实现电路程序调试和下载。

(3)以太网接口设计

RCM5700的以太网模块包括以太网介质访问控制模块(Ethernet Media Access Controller,EMAC)和以太网物理层驱动模块(Ethernet Physical Transceiver,EPHY)， 这两个模块均按照IEEE802.3标准完成TCP/IP协议栈中的底层网络接口层功能接收时，首先EPHY模块的10BASE-T/100BASE-TX接收器接收从外部双线引脚PHY_RXN/PHY_RXP输入的信号，然后经过解码器解码将输出值传送给EMAC模块。EMAC根据接收缓冲区中的指针寄存器计算缓冲区中最最后一帧的偏移量，从而将RX缓冲区中的数据转发至上层协议完成数据处理。

为了增强以太网通信的抗干扰性，数据采集模块选用了网络隔离芯片ST-JP044，为了节约制板空间，选取其封装形式为RJ45。

2.2.2 软件流程

在系统编程实现时，采用模块化的设计思想，网络通信、RS422通信、AD转换、串并转换、并串转换等封装成标准的函数供调用，尽量减少代码的重复编写。

数据节点的采集电路程序具有两种工作状态:一是联网状态，二是非联网状态。当电路正常工作于联网状态时，会将采集到的开关量等数据信息以一定的格式发送给采集计算机，同时接收采集计算机发送的显示控制信息。在电路刚上电、联网中断或者调试时，电路处于非联网状态，此时电路能够进行默认显示或继续显示原有内容，并能够对不涉及到设备状态的按键开关等操作进行相应的显示控制，即模拟原有硬件的简单显示控制逻辑，比如显示数字的增减、亮度调节等功能。

硬件采集程序的总体流程如图4所示。

图4 硬件采集程序的总体流程图

结 语

王伟(工程师)，主要研究方向为军事装备学。