基于TPS2384的PSE设计与实现

摘要： 用MSP430F148单片机和TPS2384以太网供电管理芯片，开发了符合IEEE802.3af标准的以太网供电设备，着重论述了该以太网供电设备的系统设计实现过程。

关键词： 以太网供电；供电设备；MSP430F148；TPS2384；I2C-BUS

引言

以太网电源技术标准IEEE 802.3af对路由器、交换机和集线器等网络设备通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及WLAN接入点等设备提供电源的方式进行了规定。

德州仪器公司先后推出了电源管理芯片TPS2383和TPS2384,它们兼容802.3af标准，可以通过一条标准的以太网线缆提供直流电源并传输数据，可以广泛应用于以太网交换机、路由器、集线器等中跨设备，也可以和上述设备集成在一起更加方便应用。本设计主要基于TPS2384设计出符合IEEE802.3af标准的供电设备。

IEEE802.3af标准

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48V直流电源的方法,它将以太网供电(PoE)技术引入到现有的网络基础设施中，和原有的网络设备相兼容，它最大能提供12.95W的功率，传输距离为100m。

PoE由两部分组成：供电设备(PSE)和受电设备(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标准定义了端接式和中跨式两种类型的PSE，端接式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CAT－5线缆的信号线对或备用线对上传输电源；中跨式 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，以完成以太网供电的功能。PSE主要完成对PD的侦测、分级、供电、断电等功能，PD负责在网络终端设备中分离出48V电源和数据信号，并将48VDC电源变压为通常情况下终端设备工作所需的5VDC。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通过维持功率特征发送持续工作信号。

硬件体系结构与组成

在PoE系统中，PSE是主要部分。PSE除了完成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 PSE系统硬件体系结构图

系统主要由电源模块、电源转换电路、TPS2384及其外围电路、MSP430F148及其外围电路、CP2102及其外围电路组成。单片机MSP430F148通过I2C-BUS对TPS2384内部寄存器进行读写，从而完成电源管理功能；通过模式设置信号线来设置TPS2384的工作模式；通过出错中断信号线获得来自于TPS2384的出错中断信号，从而通过复位信号线对TPS2384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，这样就可以对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，系统各部分硬件的具体功能如下：

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+48V、+5V和+3.3V三种电压，CP2102需要的+5V由PC的USB接口提供，其它器件由电源模块输出的+48V或经过转换后提供工作电压。

图2 PSE运行控制流程图

电源模块：采用220V转+48V的开关电源模块，由于一个TPS2384可以对四个以太网口进行供电管理，I2C-BUS上可以挂载多个TPS2384，因此，可以根据实际情况来选择电源模块的功率。TPS2384工作时只需要外部单独的＋48V供电，这直接由电源模块提供；
电源转换电路：本设计采用电源转换芯片LM2575HVS-5.0将+48V转换为+5V,经过AMS1117-3.3将+5V转换为MSP430F148工作时所需要的+3.3V。

以太网供电管理器部分

TPS2384是美国德州仪器公司推出符合IEEE802.3af规范的以太网供电管理器，TPS2384运行时内部工作所需要的10V、6.3V和3.3V由外部的+48V产生。TPS2384内部有一个15位的A/D转换器，用来测量每个口的电阻、电压、电流。TPS2384具有标准的I2C-BUS， MSP430F148通过I2C通信完成高级电源管理功能。TPS2384具有三种工作模式：自动模式(AM)、半自动模式(SAM)和供电管理模式(PMM)。在AM模式下，TPS2384自动完成对标准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TPS2384为AM模式，AM模式下TPS2384采用DC断路检测法检测PD是否断开；在SAM模式下，可以通过I2C总线来获得TPS2384内部所有读寄存器和A/D寄存器的内容，可以不需要微控制器的控制而自动检测有效的PD；在PMM模式下，可以执行优越的AC断路检测，可以实时地获得每个PD的电压与电流，这些需要通过I2C总线对TPS2384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。

图3  以太网供电设备在EPA系统中的应用示意图

TPS2384有五位有效的地址设置位，作为I2C-BUS的从设备，可以通过外部地址设置电路来设置TPS2384的地址。

TPS2384需要在每个端口的供电回路上加入检测显示电路。这样TPS2384工作在三种模式下都可以直观的显示各个端口的工作状态。

在PMM模式下，可以通过设置TPS2384的内部寄存器配合外部的的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。

单片机控制部分

MSP430F148是TI公司的超低功耗混合信号控制器MSP430系列中的FLASH型单片机。

USB桥接器CP2102

CP2102是一款高集成度的专用通讯芯片，该芯片的功能是实现UART和USB格式间数据的转换，集成了一个符合USB2.0标准的全速功能控制器、EEPROM、缓冲器、和带有调制解调器接口信号的UART数据总线，同时具有一个集成的内部时钟和USB收发器。通过CP2102可以很简单的实现UART到USB间的桥接，从而为系统添加USB通信接口。

软件设计与实现

PSE的软件实现主要包括两个部分：运行于MSP430F148的PSE运行控制程序和运行于PC的PSE终端监控程序，两者通过由CP2102构成的USB接口通信。

PSE运行控制程序

PSE运行控制程序主要完成系统初始化、对TPS2384进行控制、与PC通信和对数据进行封装与解析等功能。如图2所示，当没有与PC连接时，将设置TPS2384工作在AM模式下，TPS2384将自主运行，此时将不能够得到各个供电端口的具体运行数据，只能通过状态显示电路中的LED显示各个端口的运行状态；当与PC连接时，系统将按照用户的要求将TPS2384设置为相应的工作模式，此时系统将能够采集到各个端口的运行参数，在SAM和PMM模式下，系统将可以按照用户的设置部分或者完全对各个端口的供电进行控制。监控过程是通过对TPS2384各端口寄存器的读写操作来实现的。
 
系统初始化

系统时钟初始化：选择8MHz时钟XT2作为主时钟的时钟源，选择DCO为子时钟的时钟源。

I/O口初始化：将P3.3设置为输出用来作为驱动蜂鸣器的信号；P4.0设置为输出作为TPS2384的模式选择信号；P4.2设置为输出作为TPS2384的复位信号；P4.1设置为输入作为TPS2384的出错中断输入信号；
串口初始化：MSP430F148通过UART1与CP2102通信，UART1设置如下：发送字符位数为8位；发送/接收速率为9600；选择辅助时钟ACLK作为波特率发生器的时钟源；使能串口接收和发送操作；将P3.6和P3.7的功能选择寄存器设置为串口收发模式。 

I2C-BUS的实现

在MSP430F148中，没有标准的I2C-BUS通信模块，因此，需要将I2C-BUS通信规范中的SDA和SCL通过P3.0和P3.2用软件来模拟实现，完成I2C-BUS的读写操作。

I2C-BUS写操作：I2C-BUS的写函数void WriteI2C(char Addr，char Reg ，char Ctr)由形参Addr-TPS2384的地址、Reg-TPS2384寄存器地址、Ctr-控制信息构成；写函数由I2CInit()、 I2CStart()、I2CSent(unsigned char data)、I2CReceiveAck()、I2CReceiveAck()、I2CReceiveAck()、I2CStop()和delay()子函数组成，I2C-BUS的写函数完成向指定的TPS2384内部寄存器中写入控制信息。

I2C-BUS的读操作：I2C-BUS的读函数void ReadI2C(unsigned char Adr,unsigned char Rg) 由形参Adr-TPS2384的地址、Rg-TPS2384寄存器地址构成，此操作的结果是将地址为Adr的TPS2384中的Rg状态寄存器中的信息读出，并将它存入char型全局变量中，读函数由I2CInit()、I2CStart()、I2CSent()、I2CReceiveAck()、I2CSent(unsigned char data)、Rec_dat()、I2CSentNAck()、I2CReceiveAck() 、I2CStop()和delay()子函数组成，由这些子函数共同完成I2C-BUS的读时序。

PSE终端监控程序

PSE终端监控程序主要完成对各个供电端口的实时监控功能，由于使用了USB桥接芯片CP2102，在逻辑上监控程序只要完成串口通信就可以了，各种控制数据将通过终端监控程序来设置，同时采集到的各个供电端口的实时工作参数也将直观显示在监控程序上，终端监控程序实现了对供电的高级管理功能。

以太网供电设备在EPA系统中的应用

EPA系统是一种用于工业测量与控制的分布式工业自动化以太网，它将分布在工业现场的设备连接起来，通过EPA系统完成对工业生产过程的监控，EPA系统支持以太网供电技术。在实际应用中我们将PSE系统和集线器集成在一起设计出了端接式PSE，即PoE-Hub，使得应用更加灵活方便，典型应用如图3所示，当PoE-Hub侦测到802.11b无线网关、Zigbee接入点和有线阀门定位器为合法的PD后，将执行可选的分级操作，之后将向它们提供工作所需的+48V最大13W的电力，同时传输EPA监控上位机的监控数据，使得它们能够正常工作，对各个端口供电情况的监控由监控PC上的PSE终端监控软件完成。

结语

本设计采用MSP430F148单片机和以太网供电管理器TPS2384开发了符合以太网供电标准IEEE802.3af的可监控高级以太网供电管理系统。该系统在EPA系统应用中有良好的使用效果，在实际应用中也可以根据需要进行简化从而降低成本。

参考文献：
1.    IEEE Std 802.3af-2003, 18 June 2003
2.    魏小龙编著, MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例, 北京航空航天大学出版社, 2002
3.    SLU6234B, TPS2384 datasheet, Texas Instruments, May 2005
4.    SLAS272F, MSP430F148 MCU datasheet, Texas Instruments, June 2004