PoE技術(shù)在座艙分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 凱，張立民，張兵強

（海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001）

飛行模擬器座艙數(shù)據(jù)采集上一直以來采用集中式的采集方式來完成，這種方式在信號種類繁多和數(shù)量龐大的大型軍機座艙模擬上的應(yīng)用使得整套系統(tǒng)顯得臃腫，設(shè)備維護復(fù)雜并且走線密集，上位機接口繁瑣。

針對飛行模擬器座艙內(nèi)數(shù)據(jù)采集的分散獨立性和復(fù)雜性，本文采用了一種以以太網(wǎng)為傳輸網(wǎng)絡(luò)的分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。以太網(wǎng)帶寬大，可擴展性強，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的特點保證了座艙數(shù)據(jù)采集的準確性和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)電源設(shè)計采用IEEE802.3af標準提出的PoE供電方案。在傳輸數(shù)據(jù)的信號線上，同時提供各個采集節(jié)點所需要的電源，簡化了供電系統(tǒng)的管理，使系統(tǒng)配置更加簡單，運行更加高效可靠。

1 PoE技術(shù)簡介

PoE（Power Over Ethernet）[1]技術(shù)指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網(wǎng)接入點AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機）傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。

1.1 PoE系統(tǒng)組成

一套完整的PoE系統(tǒng)是由供電端設(shè)備PSE（Power Sourcing Equipment）和受電端設(shè)備 PD（Power Device）2 部分組成的。PSE即為以太網(wǎng)客戶端設(shè)備供電的設(shè)備，同時也是整個PoE以太網(wǎng)供電過程的管理者，可以分為Midspan（PoE功能在交換機外）和Endpoint（PoE功能集成到交換機內(nèi)）2種；PD為接受供電的PSE負載，即PoE系統(tǒng)的客戶端。系統(tǒng)雙方依據(jù)IEEE 802.3af標準建立有關(guān)受電端設(shè)備PD的連接情況、設(shè)備類型、功耗級別等方面的信息聯(lián)系，并以此為根據(jù)PSE通過數(shù)據(jù)傳輸線向PD供電。

1.2 PoE供電參數(shù)

IEEE802.3af標準[2]PoE系統(tǒng)的主要供電特征參數(shù)為：1）電壓在 44～57 V之間，典型值為 48 V；2）允許最大電流為550 mA，最大啟動電流為 500 mA；3）典型工作電流為 10～350 mA，超載檢測電流為 350～500 mA；4）在空載條件下，最大需要電流為5 mA；5）為PD設(shè)備提供3.84～12.95 W 5個等級的電功率請求，最大不超過13 W。

1.3 PoE設(shè)備上電操作過程

PD設(shè)備在接入PSE系統(tǒng)時，獲取電源的流程[3]為：1）檢測（Detection），該步驟主要的操作是PSE通過檢測電源輸出線對之間的阻容值來判斷PD是否存在。該階段輸出電壓為2.8～10 V，只有檢測到PD，PSE才會進行下一步的操作；2）分類 （Classification），PSE通過檢測電源輸出電流來確定PD功率等級。該階段端口輸出電壓大小為15.5～20.5 V；3）上電（Power up），當(dāng)檢測到端口下掛設(shè)備屬于合法的PD時，并且完成對此PD的分類，PSE開始對該設(shè)備進行供電，輸出-48 V的電壓；4）實時監(jiān)控，電源管理（RTP&Power management）；5）斷開（Disconnection），PSE會通過特定的檢測方法來判斷PD是否已經(jīng)斷開，如果PD斷開，PSE將關(guān)閉端口輸出電壓，端口返回到檢測狀態(tài)。

2 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

飛行模擬器座艙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成飛行模擬器座艙各種信號的采集，并將其轉(zhuǎn)換為計算機可識別的信號，通過上位機邏輯解算形成各種控制信號，然后輸出給相應(yīng)的模擬器控制設(shè)備的任務(wù)。

2.1 系統(tǒng)組成

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由3部分組成：1）數(shù)據(jù)采集電路，每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點可以連接不同的設(shè)備，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后封裝成以太網(wǎng)信號，與交換機相連，并且根據(jù)上位機指令能夠控制設(shè)備完成一定功能；2）交換機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點與座艙采集計算機的數(shù)據(jù)交互，并且作為PSE網(wǎng)絡(luò)供電端為采集節(jié)點供電；3）座艙數(shù)據(jù)采集計算機，接收采集節(jié)點數(shù)據(jù)，并為設(shè)備提供各種控制信號。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路組成

數(shù)據(jù)采集電路是由電源板和數(shù)據(jù)采集板2部分組成的，其中電源板為數(shù)據(jù)采集板供電并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互；數(shù)據(jù)采集板處理設(shè)備狀態(tài)信息。針對飛機座艙數(shù)據(jù)采集的具體實際，按照設(shè)備狀態(tài)信息包括開入量信息（按鈕，開關(guān)等）、開出量信息（指示信號燈和數(shù)碼管等）以及模擬量信息（旋鈕等）的分類，可基本確定數(shù)據(jù)采集電路的采集功能。設(shè)計采用的芯片如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集板主要芯片Tab.1 Main chips on data collection board

RCM5700微處理器模塊[4]為數(shù)據(jù)采集板的核心器件，特點是具備50 MHz的Rabbit 5000微處理器，芯片式10/100以太網(wǎng)，1 M并行內(nèi)存，32位的輸入/輸出端口和6個串行端口，體積小巧，集成度高，工作電壓為3.3 V，既可用于網(wǎng)絡(luò)連接也可用于控制。

電源板的功能如下：1）作為PD設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)獲取電源，滿足PoE供電過程的要求；2）輔助電源的供電，主要用于程序調(diào)試和防止PoE掉電；3）電源電壓的變換，考慮到某些具體設(shè)備需要的28 V電壓，因此需要將網(wǎng)絡(luò)供電提供的48 V電壓變換為3.3、5和28 V；4）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PoE技術(shù)的實現(xiàn)

PoE技術(shù)在系統(tǒng)的實現(xiàn)包括2部分：供電設(shè)備和受電設(shè)備。PoE供電總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 PoE供電總體設(shè)計Fig.1 Overall design of PoE

設(shè)計選用內(nèi)置PoE功能的以太網(wǎng)供電交換機作為供電設(shè)備，供電模式選用模式A（通過數(shù)據(jù)線對供電）。其中輔助電源是為了程序調(diào)試的方便設(shè)計的，同時也用來防止PoE掉電，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定。針對上層數(shù)據(jù)采集板供電需求，電源板在保證數(shù)據(jù)通信的同時，將PSE供電的48 V轉(zhuǎn)換為 3.3、5和 28 V。

3.1 供電設(shè)備（PSE）

設(shè)計選用內(nèi)置PoE功能的交換機DES-1228作為PoE供電設(shè)備，其供電性能特點為：1）完全兼容IEEE802.3af標準，每端口支持PoE功率最大為15.4 W；2）1臺交換機最大支持PoE功率為170 W，平均每個端口為7 W；3）每臺設(shè)備最大消耗功率為222 W；4）能夠自動檢測受電設(shè)備的連接，如果某端口電流超過350 mA，則在保持其他端口正常供電的情況下，自動斷開該端口的供電；5）具有端口短路保護功能；6）采用模式A（通過數(shù)據(jù)線對）供電；7）具備電源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對單個端口管理。

3.2 受電設(shè)備（PD）

受電設(shè)備即為數(shù)據(jù)采集電路，其電源板內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。PD主要由電源數(shù)據(jù)隔離、PD接口控制器以及DC-DC轉(zhuǎn)換3部分組成。

圖2 電源板內(nèi)部設(shè)計Fig.2 Internal design of power board

3.2.1 電源數(shù)據(jù)隔離部分

1）網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，由于PSE采用模式A供電，PD設(shè)備需要從數(shù)據(jù)信號中將直流DC信號去除，設(shè)計采用Sumlink公司的具有內(nèi)部隔離變壓器的ST-JP044網(wǎng)口完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的耦合，提取采用數(shù)據(jù)線對傳輸?shù)闹绷麟娔堋?/p>

2）二極管橋，設(shè)計中包含2個二極管橋[5-6]，二極管橋的主要目的是避免電源信號極性側(cè)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動極性糾正，引入兩個電橋避免了PD設(shè)備可能被兩種連線模式同時供電的錯誤情況。在這種設(shè)計下，當(dāng)其中一種方式處于供電狀態(tài)時，另一種方式的PD信號就會自然消失。

3.2.2 PD接口控制器

該控制器是PD端檢測、分級特征信號和程控浪涌電流的集成隔離開關(guān)，是整個PD的核心內(nèi)容?？紤]到輔助電源的設(shè)計，設(shè)計采用了LM5073。該芯片是一款高度集成的電源IC，適用于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)中的受電設(shè)備，將符合IEEE802.3af技術(shù)標準的用電設(shè)備接口和脈沖寬度調(diào)制控制器合二為一，并可以通過外接的交流電適配器取得電源供應(yīng)。該芯片可為PD提供偵測特征信號和分級信號，此外還集成了一個可編程電流限制的集成開關(guān)，同時具有寬滯回供電模式欠壓鎖定（UVLO）以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能。

1）芯片引腳設(shè)置，分級模過程中，PSE會根據(jù)PD所要求的功率對PD進行分級。芯片可以通過Rclass的選擇進行可編程分級，由于設(shè)計采用通用化的思想，為了保證各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點能夠獲得足夠大的電力供應(yīng)，故將CLASS引腳置空，使PD的功率范圍為0.44～12.95 W；芯片還可對門限電壓和限制電流進行編程設(shè)置，當(dāng)UVLO引腳連接到VIN引腳時，芯片將選擇默認的門限電壓（38 V），考慮到選用PSE設(shè)備的高度穩(wěn)定性，設(shè)計選用了默認的門限電壓。針對PoE電流限制，芯片默認為440 mA，同時可以支持150～800 mA的編程范圍調(diào)節(jié)，設(shè)定關(guān)系：

設(shè)計將限制電流設(shè)為800 mA，經(jīng)過計算得：RDCCL=15.8 kΩ。

2）輔助電源選擇，支持輔助電源設(shè)計是該芯片的主要特點。芯片支持前向或者后向輔助電源設(shè)計，兩種設(shè)計的比較如表2所示。

表2 前向設(shè)計與后向設(shè)計比較[7]Tab.2 Comparison between FAUX and RAUX operation

圖3 電壓數(shù)據(jù)隔離電路Fig.3 Isolation circuit of voltage data

考慮到兩種輔助電源的特點，設(shè)計選用前向輔助電源，既利用LM5073的電流限制和電壓保護功能以此保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，同時不需要增加額外的元件。設(shè)計提供了前向輔助電源接口J3，輔助電源電壓范圍為DC 20～57 V，保證系統(tǒng)在PoE供電出現(xiàn)故障時系統(tǒng)仍然可以正常工作。該部分電路設(shè)計如圖3所示。

圖4 DC-DC轉(zhuǎn)換電路Fig.4 DC-DC switch circuit

3.2.3 DC-DC轉(zhuǎn)換部分

DC-DC轉(zhuǎn)換部分電路需要完成從PoE接收的電壓48 V到3.3、5和 28 V的轉(zhuǎn)換，設(shè)計采用了LM5576[8]作為降壓元件。該芯片具備集成的75 V、170 mΩ的N通道MOSFET，輸入電壓范圍為6～75 V并具有保護功能。在設(shè)計中實現(xiàn)了將PoE電壓降至28 V；依靠益弘泰DC/DC模塊電源YD10-24S05將28 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，最后3.3 V的轉(zhuǎn)換則依靠MIC29150-3.3BU實現(xiàn)。該部分電路設(shè)計如圖4所示。

4 結(jié) 論

為了驗證設(shè)計的科學(xué)性和合理性，通過交換機的電源管理系統(tǒng)得出了實際采集電路的消耗功率，其遠小于PoE標準所限定的13 W，并且通過交換機的PoE管理界面實現(xiàn)了采集電路的遠程關(guān)閉和重啟。

本文通過對飛行模擬器座艙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源模塊進行分析，探討并實現(xiàn)了采用PoE技術(shù)的供電系統(tǒng)的設(shè)計方案。經(jīng)過實驗，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行正常，節(jié)點供電穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸；系統(tǒng)的電源部分非常簡潔，而且采集節(jié)點分布靈活多樣，明顯優(yōu)化了模擬器系統(tǒng)布線，增強了系統(tǒng)的可靠性和擴展性。

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