利用MAX5945的以太网供电设备
网络供电是EPA的关键技术之一。本文简要介绍了IEEE802.3af标准，系统分析了以太网供电设备的功能需求和总体设计，选用MSP430F148单片机和MAX5945以太网供电电源管理器，基于I2-CBUS通信规范，开发了符合IEEE802.3af标准以太网供电设备，并给出了该供电设备在EPA系统中的应用实例。
关键词 IEEE802.3af PoE 以太网供电设备 MSP430F148 MAX5945 I2C-BUS EPA
MSP430F148是美国TI公司推出的超低功耗混合信号控制器MSP430系列中的Flash型单片机。它具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功耗；数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在6μs之内激活到活跃的工作方式。将它应用于以太网供电设备中，可方便地实现对以太网供电电源管理芯片的控制，也可以使用户方便地通过终端监控程序对以太网供电设备进行监控。
1 IEEE802.3af标准简介[1-3]
IEEE802.3af标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送48 V直流电源的方法。它将以太网供电（Power over Ethernet,PoE）技术引入到现有的网络基础设施中，且与原有的网络设备相兼容；最大能够提供12.95 W的功率，传输距离为100 m。
PoE由两部分组成：供电设备(Power Sourcing Equipment，PSE)和受电设备(Powered Device，PD)。PSE负责将电源注入以太网线缆，并实施功率的规划和管理。IEEE802.3af标准定义了两种类型的PSE，一种为“Endpoint PSE”；另一种为“Midspan PSE”。Endpoint PSE是支持PoE的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络设备，这种设备在CAT5线缆的信号线对或备用线对上传输电源；Midspan PSE是专门用于电源管理的设备，不进行数据交换，它通常和数据交换设备放在一起协同工作，以实现以太网供电的功能。PSE主要工作步骤为：
① 侦测(Discovery)。在允许PSE向合法的PD供电之前，它必须用一个有限功率的测试源来检查特征电阻。一般用两点检测法来完成侦测工作。
② 分级(classify)。侦测到有效的PD后，PSE利用一个15.5~20.5 V的探测电压来检测PD的功率级别。PD通过从线上吸收不同的恒定电流(分级特征信号)来向PSE表明自己所需的最大功率。
③ 供电(delivery)。成功侦测和分级后，PSE向PD正常供电。供电期间，PSE还要对每个端口的供电情况进行监视，提供欠压和过流保护。
④ 断电(shutdown)。当PD断开后，PSE停止对线路进行供电。PSE可以用DC断路检测法或者AC断路检测法来检测PD是否断开。
PD负责在网络终端设备中分离出48V电源和数据信号，并将48V DC电源变压为通常情况下终端设备工作所需的5V DC。在PSE对PD进行侦测、分级时，PD应做出相应的反应；同时，在PSE供电过程中，PD通过维持功率特征(Maintain Power Signature,MPS)发送持续工作信号。
2 硬件体系结构与组成[46]
在PoE系统中，PSE是主要部分。PSE除了实现上述电源管理功能外，在一些特殊应用场合，还必须能够提供各路PD的实时工作参数，并且可以通过运行于PC上的终端监控程序来监控整个系统。PSE系统分为硬件和软件两部分，图1为供电系统的硬件体系结构图。
图1 以太网供电设备硬件体系结构图
系统主要由电源模块、电源转换电路、MAX5945及其外围电路、MSP430F148及其外围电路、CP2102及其外围电路组成。16位单片机MSP430F148通过I2CBUS对MAX5945读写，从而实现电源管理功能；通过模式设置信号线来设置MAX5945的工作模式；通过出错中断信号线获得来自于MAX5945的出错中断信号，从而通过复位信号线对MAX5945产生有效的低电平复位脉冲信号。同时，MSP430F148通过内部UART模块，经过CP2102桥接为USB接口后完成与PC上终端监控程序的通信；也可以通过串口和PC机进行通信,系统进行直观的监控，并且当系统识别到没有与PC建立连接时会自主运行。下面介绍一下系统各部分硬件的具体功能。
2.1 电源部分
电源部分主要为系统中各个器件提供工作电压，系统工作时需要48 V、+5 V和+3.3 V三种电压，CP2102需要的+5 V由PC的USB接口提供，其他器件由电源模块输出的+48 V或经过转换后提供工作电压。
电源模块：采用220 V转-48 V的开关电源模块，由于1个MAX5945可以对4个以太网口进行供电管理，I2CBUS上可以挂载多个MAX5945,因此可以根据实际情况来选择电源模块的功率。MAX5945工作时只需要外部单独的-48 V供电，由电源模块经转换电路反相后提供。
电源转换电路：MSP430F148的工作电压为+3.3 V,本设计采用电源转换芯片LM2575HVS5.0将+48 V转换为+5 V,经过AMS11173.3将+5 V转换为MSP430F148工作时所需要的+3.3 V。
2.2 以太网供电管理器部分
MAX5945是Maxim公司推出的一款四路网络电源控制器，用于与IEEE802.3af兼容的供电设备(PSE)。该器件提供用电设备(PD)探测、分级、限流以及直流和交流负载断开探测。MAX5945可用于终端PSE(LAN交换机/路由器)或中跨PSE(电源注入)系统。MAX5945可独立工作，也可以由软件通过I2C兼容的接口进行控制。单独的输入和输出数据线(SDAIN和SDAOUT)允许使用光电耦合器。INT输出和4个关断输入(SHD_)允许从出现错误到端口关断的快速响应。RESET输入允许硬件复位器件。MAX5945完全由软件配置和编程。分级过流检测使系统电源管理能够检测PD吸收的电流是否大于其分级所允许的电流。MAX5945具有4种工作模式,分别为自动模式、半自动模式、人工模式和关断模式。在自动模式下，自动实现对标准PD的侦测、分级和供电等功能而不需要微控制器进行控制，因此，在低成本设计中可以直接设置MAX5945为自动模式（该模式下MAX5945采用DC断路检测法检测PD是否断开）。在半自动模式下，MAX5945根据需要反复进行行侦测和/或分级，无论端口的连接状态如何都不会给端口上电。每次要利用软件命令关闭端口供电。在人工模式下，可以执行优越的AC断路检测，实时地获得每个PD的电压与电流，这些需要通过I2C总线对MAX5945内部的读写寄存器进行控制来完成，因此需要编写运行于微控制器MSP430F148上的程序来完成对供电的高级管理。关断模式终止所有活动，并安全地关闭端口电源。在器件完成其当前任务之前，自动、半自动、人工模式之间的切换不发生作用。当端口被设为关断模式时，端口立刻停止所有工作，维持空闲状态直到退出关断模式。
地址设置电路：MAX5945是从器件，4条地址线可以为MAX5945选择16种不同的I2C地址。
AC断路检测电路：在PMM模式下，可以通过设置MAX5945的内部寄存器配合外部的AC断路检测电路来产生叠加在供电回路中的AC断路检测信号。
状态显示电路：MAX5945需要在每个端口的供电回路上加入检测显示电路。这样MAX5945工作在三种模式下都可以直观地显示各个端口的工作状态。
2.3 单片机控制部分
MSP430F148是TI公司推出的超低功耗混合信号控制器MSP430系列中的Flash型单片机，采用精简指令组对全部功能模块进行操作。它具有16位RISC结构，片内具有48 KB Flash、2 KB RAM、USART等模块；CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率；通过采用不同的时钟源可以使MSP430F148满足不同的低功耗要求；数字控制的振荡器（DCO）可使MSP430F148在6μs之内从低功耗模式转换到激活工作模式；支持在线仿真功能，开发工具能很好地支持C语言开发，能够提高软件的开发效率，MSP430F148的安全熔丝可以对程序的代码进行保护。
MSP430 F148单片机采用存储器—存储器结构，即用一个公共的空间对全部功能模块寻址，同时用精简指令组对全部功能模块进行操作。其内部结构包括CPU、存储器、振荡器与时钟发生器和外围模块等。
时钟电路：MSP430F148的时钟模块主要由高速时钟、低速时钟和数字控制振荡器组成。数字控制振荡器集成在内部，8 MHz的高速时钟和32.768 kHz的低速时钟由外部时钟电路产生。
复位电路：采用阻容式复位电路，实现对MSP430F148的外部手动复位。
JATG接口：MSP430F148单片机内部嵌入了JTAG接口，支持边界扫描技术标准IEEE1149.1，主要由5个控制信号TCK、TDO、TDI、TMS和RST组成，通过集成的IDE开发环境，可以很容易地在线调试代码。
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