自主供電網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁穎

摘要：基于W5500芯片的網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟，該網(wǎng)絡(luò)通信模塊的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，但在一些特殊場(chǎng)合需要長(zhǎng)距離且便捷的方式實(shí)現(xiàn)通信和供電兩種方式，因此，設(shè)計(jì)了一套自主供電網(wǎng)絡(luò)通信模塊?；赥CP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊的功能基本相同，文中提出一種自主供電的通信模塊方案，該模塊由控制單元、POE交換機(jī)、通信模塊和用戶端組成，并介紹了根據(jù)此方案實(shí)現(xiàn)自主供電網(wǎng)絡(luò)通信模塊，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和工程應(yīng)用中的難點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用情況證明了此方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：通信模塊；供電；TCP/IP協(xié)議

全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽由中國(guó)科協(xié)、工信部指導(dǎo)，中船重工、中船工業(yè)、中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)和中國(guó)海洋學(xué)會(huì)主辦，面向全國(guó)高校、科研院所在校生的綜合性競(jìng)賽，是我國(guó)船舶與海洋工程領(lǐng)域內(nèi)層次最高、規(guī)模最大、覆蓋最廣的競(jìng)賽。隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的推進(jìn)，全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽規(guī)模和影響力越來(lái)越大，為了規(guī)范和推進(jìn)全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽中智能航行比賽，需要相應(yīng)的比賽系統(tǒng)對(duì)比賽過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)比賽結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確、客觀的評(píng)價(jià)。

第五屆全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽在江蘇科技大學(xué)舉行，智能航行比賽、競(jìng)速比賽和帆船比賽作為其中較為重要的3項(xiàng)比賽，均由本實(shí)驗(yàn)室接手，研究及熟悉系統(tǒng)的操作并確保比賽中的正常運(yùn)行。比賽結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)3項(xiàng)比賽系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在原有比賽系統(tǒng)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，保留優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)有缺陷的地方，設(shè)計(jì)了新的智能航行比賽系統(tǒng)、競(jìng)速比賽系統(tǒng)和帆船比賽系統(tǒng)，這3項(xiàng)比賽功能類似，可以合并設(shè)計(jì)。

在對(duì)比賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先需要解決的就是原先比賽中存在的一個(gè)很大的缺陷，即串口通信速度慢，并且通信和供電線路復(fù)雜。所以在新的比賽系統(tǒng)中選擇網(wǎng)絡(luò)通信，能夠提高通信的速度，基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信模塊在現(xiàn)有的市場(chǎng)很成熟，所以在設(shè)計(jì)和制作上并沒(méi)有很大的難度。但由于比賽系統(tǒng)的特殊性，需要精簡(jiǎn)線路，且電源線越長(zhǎng)越多越容易損耗，將網(wǎng)絡(luò)通信和供電集成在一個(gè)模塊上，使用一根網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)通信和供電，方便且簡(jiǎn)潔，滿足比賽的要求[1]。

本系統(tǒng)使用以太網(wǎng)供電（Power Over Ethernet，POE）交換機(jī)供電，提供24 V電源，通過(guò)網(wǎng)線連接POE交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)通信和供電兩種功能。所研制的自主供電網(wǎng)絡(luò)通信模塊經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間多次測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)[2]。

1 功能與結(jié)構(gòu)

自主網(wǎng)絡(luò)通信模塊由控制單元、POE交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和用戶端組成?？刂茊卧O(jiān)管網(wǎng)絡(luò)通信模塊的工作，POE交換機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸提供通信通道和提供24 V電源，網(wǎng)絡(luò)通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)和供電，用戶端提供數(shù)據(jù)傳輸接口接收數(shù)據(jù)[3]。自主網(wǎng)絡(luò)通信模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 控制單元

控制單元作為整個(gè)模塊的核心，接收處理用戶端發(fā)送的信號(hào)，控制通信模塊以及外接模塊，起到調(diào)配的作用，同時(shí)也可將外接模塊發(fā)送的信號(hào)反饋到用戶端?？刂茊卧捎玫氖切吞?hào)為Stcl5w4k48s4的單片機(jī)，造價(jià)便宜、功能強(qiáng)大，能夠滿足系統(tǒng)要求。

1.2 POE交換機(jī)

POE交換機(jī)端口符合IEEE802.3 af/802.3 at標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)網(wǎng)線供電的方式是標(biāo)準(zhǔn)POE終端設(shè)備供電，可以免去額外的電源布線。POE交換機(jī)就是支持網(wǎng)線供電的交換機(jī)，不僅可以實(shí)現(xiàn)普通交換機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸功能，也能同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端供電[4-5]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

主控單元通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊與用戶端通信，接收用戶端的指令并根據(jù)指令進(jìn)行工作。網(wǎng)絡(luò)通信模塊提供通信和供電，系統(tǒng)采用POE供電方式，通過(guò)網(wǎng)線直接從POE交換機(jī)獲取24 V直流電供系統(tǒng)使用。網(wǎng)絡(luò)通信模塊是基于W5500芯片的以太網(wǎng)模塊，模塊集成硬件化TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通信模塊是將供電和網(wǎng)絡(luò)通信兩個(gè)功能集合在一塊板子上[6-7]。網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)物圖如圖2所示，其中標(biāo)識(shí)①為W5500芯片，②為降壓電路，將輸入的24 V轉(zhuǎn)換成5 V和3.3 V直流電供導(dǎo)引門系統(tǒng)使用，③為RJ45通信供電接口，④為外部供電。

2 電路板設(shè)計(jì)與制作

2.1 電路板設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信模塊的原理示意如圖3所示，包含通信功能和供電功能兩塊的設(shè)計(jì)。

2.2 W5500芯片

W5500芯片是一款全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，使嵌入式系統(tǒng)可通過(guò)SPI接口連接到網(wǎng)絡(luò)。選擇W5500芯片完全作用于網(wǎng)絡(luò)通信模塊，是因?yàn)閃5500具有完整TCP/IP協(xié)議和10/100 Mbps以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物理層。W5500芯片的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用很便捷，只需運(yùn)用一些簡(jiǎn)單的Socket編程就可，使得嵌入式以太網(wǎng)方案的實(shí)現(xiàn)更快捷、方便[8]。

SPI串行外設(shè)接口可輕松與外部MCU接口相連接，在作為外設(shè)主機(jī)接口時(shí)，共有SCSn，SCLK，MOSI，MISO 4路信號(hào)，并可作為SPI從機(jī)工作。采用較多的是可變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度模式，SCSn信號(hào)受主機(jī)控制，W5500與其他SPI設(shè)備共用SPI接口，如圖4所示。

2.3 降壓模塊

POE交換機(jī)生成額定電壓通過(guò)RJ45接口輸出24 V供電，但板卡使用的電壓多為5 V和3.3 V，使用需要使用降壓模塊，降壓模塊為基于2375芯片所產(chǎn)生的3個(gè)降壓模塊，分別為24 V轉(zhuǎn)12 V，24 V轉(zhuǎn)5 V和24 V轉(zhuǎn)3.3 V，該降壓模塊使用的為2575-12， 2575-5和2575-3.3這3塊芯片。

LM2575芯片是標(biāo)準(zhǔn)電壓產(chǎn)品，可提供3.3 V，5 V，12 V，15 V及可調(diào)等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品，封裝使用的是TO-220。本系統(tǒng)一共使用了3個(gè)降壓模塊，除了選用的芯片型號(hào)不一樣，模塊設(shè)計(jì)電路圖一致，電路圖如圖5所示。

常見(jiàn)的RJ45接口有兩類，DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）類型，用于以太網(wǎng)網(wǎng)卡和路由器以太網(wǎng)接口等，DCE（數(shù)字通信設(shè)備）類型，用于交換機(jī)等。本系統(tǒng)使用的DCE類型，直通線連接，該RJ45接口為可供電接口，共有10個(gè)引腳。網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過(guò)網(wǎng)線將POE交換機(jī)和RJ45接口相連接，實(shí)現(xiàn)通信和供電一體模式，既方便又簡(jiǎn)潔。RJ45接口連接如圖6所示。

3 模塊測(cè)試

在自主供電網(wǎng)絡(luò)通信模塊研制結(jié)束后進(jìn)行測(cè)試，使用的是TCP&UDP;調(diào)試工具，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)通信模塊通信是否正常。在用戶端安裝TCP&UDP;調(diào)試工具，如圖7所示，與網(wǎng)絡(luò)通信模塊連接，實(shí)現(xiàn)通信。通信成功之后需要測(cè)試模塊運(yùn)行的穩(wěn)定性，使自主供電模塊與用戶端連接并向用戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，持續(xù)運(yùn)行24 h以上，確保模塊運(yùn)行正常。

4 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建的可自主供電網(wǎng)絡(luò)通信模塊，該模塊由控制單元、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、POE交換機(jī)和用戶端組成。網(wǎng)絡(luò)通信模塊集供電和通信功能于一個(gè)模塊，使用POE交換機(jī)為網(wǎng)絡(luò)通信模塊提供24 V直流電，且實(shí)現(xiàn)用戶端與控制單元的通信，提高了模塊的穩(wěn)定性和可靠性。該自主供電網(wǎng)絡(luò)通信模塊已投入到使用中，在全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽的智能航行比賽、競(jìng)速比賽和帆船比賽中使用的就是該模塊。

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