弱电系统工程中远程管理电源的实现

摘  要：针对电源的远程监测及控制，提出了基于TCP/IP协议的远程电源管理方法。叙述了远程管理电源的系统硬件、软件设计。提出了由STM32F103 32位ARM微控制器为主控，W5500以太网控制器为通讯单元，有源以太网为控制电源。提出了利用TCP/IP协议方式进行信息的远程传输，构建远程管理系统的Internet接口，利用网络实现电源的远程监测及控制。

关键词：STM32F103;W5500;CH340;POE供电;TPS23753;TCP/IP协议;远程管理电源

中图分类号：TM769;TP273.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）15-0033-05

Abstract：For remote monitoring and control of power supply，a remote power management method based on TCP/IP protocol is proposed. The system hardware and software design for remote management of power supply are described. It is proposed that STM32F103 32-bit single-chip microcomputer is the main control，W5500 Ethernet controller is the communication unit，and POE （Power Over Ethernet）is the control power supply. It is proposed to use the TCP/IP protocol for remote transmission of information，construct the internet interface of the remote management system，and use the network to realize the remote monitoring and control of the power supply.

Keywords：STM32F103;W5500;CH340;POE power supply;TPS23753;TCP/IP protocol;remote power management

0  引  言

弱电系统工程又称智能建筑工程，主要指通讯自动化（CA），楼宇自动化（BA），办公自动化（OA），消防自动化（FA）和保安自动化（SA），简称“5A”。在弱电系统工程中，需要使用大量直流24 V、12 V等集中供电电源，这些传统的集中供电电源并没有远程管理功能，要检查电源是否正常工作，需要维护人员亲自到现场检测。弱电系统工程中，有些正在正常使用的设备比如摄像机、门禁读卡机、门禁控制器等可能需要进行复位重新启动，此时，也只能依靠维护人员到现場对该设备进行手动复位。如果给这些集中供电电源增添远程管理功能，则可以实现电源的远程监测，也可以对远程电源实行开/关控制，从而让设备断电/上电重新启动，实现了设备复位功能的远程控制。电源添加了远程管理功能后，既减少了维护人员的工作量，又提高了弱电系统工程设备维护的效率。

1  总体方案设计

本设计采用TCP/IP协议传输数据。TCP/IP协议是可以在多个不同网络间传输数据的协议簇，不需要依赖特定的硬件或者操作系统，具有开放的协议标准，就算在不使用Internet的情况下，应用TCP/IP协议也可以使硬件和软件的结合变得较为容易。

现今弱电系统工程中所使用的传统式集中供电电源，技术成熟，质量稳定。本设计基于广州市康讯动力科技有限公司生产的12 V 20 A集中供电电源为基础，在原电源电路上加上基于TCP/IP协议的远程管理功能模块。模块采用有源以太网（Power Over Ethernet，POE）供电方式，无须额外提供电源。系统结构设计如图1所示。

如图1所示，数据通过RJ45网络接口，经过W5500以太网控制器处理，送到STM32F103 MCU（下文MCU均代表型号为STM32F103的微控制器）。220 V市电输入主电源电路，变成输出12 V20 A的直流电源。主电源电路与MCU连接，实现远程开/关控制及电流电压检测。POE交换机输出的直流电源，通过RJ45网络接口，进入POE电源转换器，转换成MCU及W5500以太网控制器需要的5 V、3.3 V电源电压。

2  系统设计分析

2.1  硬件设计

2.1.1  主电源部分

主电源部分为220 V市电输入，输出电压12 V，电流20 A的开关电源电路，主电源驱动采用成熟的TL494电源管理芯片，电源变换器使用半桥拓扑结构。

2.1.2  主电源电流与电压采集

电流检测使用了Allegro公司一种基于霍尔效应的线性电流传感器IC芯片ACS712，ACS712具有2.1 kV RMS电压隔离和低电阻电流导体的全集成。Allegro的ACS712可以为工业，商业和通信系统中的AC或DC电流感应提供经济、精确的解决方案[1]，特别适合要求电气隔离的电流采样方式。电流、电压检测原理图如图2所示。

如图2所示，12 V正电压经U1的1、2脚输入，从U1的3、4脚输出，U1检测到的电流信号Iv送到MCU电流检测输入端。输出的电压12V+o经过R4、R5分压，得到1/10的比例电压Vf，送到MCU电压检测输入端。

2.1.3  主电源开/关控制

主电源的开/关可以通过MCU、W5500以太网控制器实现远程控制，其控制原理图如图3所示。

如图3所示，主电源正常工作为开时，12V+o的输出电压通过R7提供给Q1基极偏置电流，Q1导通，E3两端电压为0 V，TL494第4脚DTC的死区电压为0 V，TL494驱动输出为开启状态。当MCU收到W5500以太网控制器的远程关电源信号时，MCU电源控制脚驱动U2光耦导通，R7提供给Q1基极偏置电流为0 V，Q1截止TL494第14脚的5 V基准电压Vref通过R6给E3充电，当E3充满电后，电压通过D2加到TL494第4脚，TL494第4脚有死区电压时，TL494驱动封锁，输出为关闭状态，主电源停止工作。图3的电路除了具备开/关机功能，还可以实现主电源开/关的软启动和输出短路保护功能。

2.2  TCP/IP协议网络控制部分

以STM32F103 32位ARM微控制器做主控，W5500以太网控制器做网络通信单元，网络控制电源使用POE有源器件控制器TPS23753芯片。

2.2.1  主控电路

TCP/IP协议处理的数据量比较大，需要使用高速、容量大的微控制器为主控。STM32F103xx集成了以72 MHz频率运行的高性能ARM Cortex-M3 32位RISC内核，高速嵌入式存储器（闪存存储器最高128 kB，SRAM最高20 kB）[2]。芯片集成定时器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种外设功能，时钟频率达到72 MHz，为同类产品中性能最高。内部包含大容量只读程序存储器，具有丰富的引脚结构以及在线系统编程（ISP）功能，可以满足本设计的需要，故选用STM32F103微控制器为该系统的主控制电路。系统的主控制电路如图4所示。

为方便该系统与电脑连接，实现编程及调试，使用USB接口CH340G芯片。电路原理参看图4中U7 CH340G USB接口芯片部分。

2.2.2  以太网控制器

W5500芯片是硬连线的TCP/IP嵌入式以太网控制器，可使用串行外围接口（SPI）为嵌入式系统提供更便捷的Internet连接。使用单个芯片实现TCP/IP堆栈，10/100 Mbps以太网MAC和PHY，最适合需要高稳定性互联网连接的用户。W5500使用32 kB内部缓冲区作为其数据通信存储器，用户可以通过使用简单的套接字程序而不用处理复杂的以太网控制器来实现所需的以太网应用程序。提供SPI（串行外设接口）以便与MCU轻松集成。W5500的SPI支持80 MHz速度和新的高效SPI协议[3]，因此用户可以实现高速网络通信。以太网控制原理图如图5所示。

2.2.3  以太網控制电路的电源

以太网控制电路的电源，使用POE供电方式。POE供电是一种可以在以太网中透过双绞线来传输电力与数据到设备上的技术。POE供电能借以太网获得供电，无需额外的电源插座，能省去配置电源线，使成本相对降低。POE不需要更改以太网的缆线架构即可运作，采用POE系统既节省成本易于布线安装又能够实现远程通电、断电的功能[4]。

本设计的电源属于受电端设备PD，PD的核心部分为电源管理芯片，采用TI的芯片TPS23753，该芯片技术成熟，性能稳定。POE电源模块原理图如图6所示。

2.3  软件程序设计

本设计采用TCP/IP协议实现对数据的传输。TCP/IP协议划分为应用层、传输层、网络层、链路层的4层模型结构。TCP/IP模型及协议[5]，如表1所示。

为节省资源，提高运行速度和效率，本设计采用UDP方式传输。W5500以太网控制器已经集成了TCP/IP协议栈，只需要选择UDP工作方式即可，不需要对其编程，因此，只需要对MCU编写程序。

设备启动，MCU给W5500加载网络参数，选择工作方式，W5500完成初始化后，等待网络数据，收到远程网络请求时，请求MCU接收数据，MCU发出许可指令后，W5500把数据发给MCU，MCU将收到的数据作指令解释，执行指令，MCU将主电源电压、电流值采集，按格式打包数据送至W5500，由W5500通过网络发送给远端请求的设备（电脑）。如果MCU收到的是开启/关闭主电源的指令，通过图4中的主电源远程开/关控制接口，控制主电源的开/关状态。

3  电路板设计及调试

为了在弱电系统工程中方便安装工作，将整个电源设计成导轨安装方式，分两块电路板，上下层结构，嵌装在一个带导轨支架的铝质外壳内。经过优化布线设计的PCB电路板如图7所示。

如图7所示，图7（a）为主电源板，包含有TL494电源驱动，高频变换器，半桥拓扑结构。图7（b）中电路板由以太网控制部分、主电源的市电输入EMI滤波部分、直流12 V输出滤波部分构成。以太网控制部分有RJ45网络接口，USB编程接口，方便在线编程调试。在Keil编译器上使用C语言进行编程，通过USB编程接口，将程序写到MCU中。使用通用的TCP/IP调试工具，可以实现调试、设置及远程操作。

4  结  论

本文对基于TCP/IP协议远程管理电源的实现进行了分析，利用STM32F103微控制器为主控，基于TCP/IP协议进行数据传输，采用POE网络供电方式，实现了电源的远程管理，并对外观、电路板设计进行了描述。该系统有效降低了弱电工程维护人员的工作量，提高相应设备维护的效率，具有良好的实用价值。

参考文献：

[1] Allegro. ACS712 DATASHEET [EB/OL].（2020-01-30）.https：//www.allegromicro.com/en/products/sense/current-sensor-ics/zero-to-fifty-amp-integrated-conductor-sensor-ics/acs712.

[2] STMicroelectronics.STM32F103C8数据手册 [EB/OL].（2015-08-21）.https：//www.st.com/content/st_com/zh/products/microcontrollers-microprocessors/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32-mainstream-mcus/stm32f1-series/stm32f103/stm32f103c8.html.

[3] WIZnet. W5500 Datasheet v1.0.9-English [EB/OL].（2019-05-22）.http：//wizwiki.net/wiki/doku.php？id=products：w5500：datasheet.

[4] 维基百科.以太网供电 [EB/OL].（2018-12-18）.https：//zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD% 91%E4%BE%9B%E7%94%B5.

[5] 陈欣.基于TCP/IP协议的通信电源监控系统的研发 [J].电源技术，2015，39（8）：1760-1761.

作者简介：刘木泉（1968—），男，汉族，广东肇庆人，研发部工程师，研究方向：电子电源、自动化控制。