弱電系統(tǒng)工程中遠(yuǎn)程管理電源的實現(xiàn)

摘 ?要：針對電源的遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制，提出了基于TCP/IP協(xié)議的遠(yuǎn)程電源管理方法。敘述了遠(yuǎn)程管理電源的系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計。提出了由STM32F103 32位ARM微控制器為主控，W5500以太網(wǎng)控制器為通訊單元，有源以太網(wǎng)為控制電源。提出了利用TCP/IP協(xié)議方式進行信息的遠(yuǎn)程傳輸，構(gòu)建遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的Internet接口，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電源的遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制。

關(guān)鍵詞：STM32F103;W5500;CH340;POE供電;TPS23753;TCP/IP協(xié)議;遠(yuǎn)程管理電源

中圖分類號：TM769;TP273.5 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

弱電系統(tǒng)工程又稱智能建筑工程，主要指通訊自動化（CA），樓宇自動化（BA），辦公自動化（OA），消防自動化（FA）和保安自動化（SA），簡稱“5A”。在弱電系統(tǒng)工程中，需要使用大量直流24 V、12 V等集中供電電源，這些傳統(tǒng)的集中供電電源并沒有遠(yuǎn)程管理功能，要檢查電源是否正常工作，需要維護人員親自到現(xiàn)場檢測。弱電系統(tǒng)工程中，有些正在正常使用的設(shè)備比如攝像機、門禁讀卡機、門禁控制器等可能需要進行復(fù)位重新啟動，此時，也只能依靠維護人員到現(xiàn)場對該設(shè)備進行手動復(fù)位。如果給這些集中供電電源增添遠(yuǎn)程管理功能，則可以實現(xiàn)電源的遠(yuǎn)程監(jiān)測，也可以對遠(yuǎn)程電源實行開/關(guān)控制，從而讓設(shè)備斷電/上電重新啟動，實現(xiàn)了設(shè)備復(fù)位功能的遠(yuǎn)程控制。電源添加了遠(yuǎn)程管理功能后，既減少了維護人員的工作量，又提高了弱電系統(tǒng)工程設(shè)備維護的效率。

1 ?總體方案設(shè)計

本設(shè)計采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。TCP/IP協(xié)議是可以在多個不同網(wǎng)絡(luò)間傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議簇，不需要依賴特定的硬件或者操作系統(tǒng)，具有開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，就算在不使用Internet的情況下，應(yīng)用TCP/IP協(xié)議也可以使硬件和軟件的結(jié)合變得較為容易。

現(xiàn)今弱電系統(tǒng)工程中所使用的傳統(tǒng)式集中供電電源，技術(shù)成熟，質(zhì)量穩(wěn)定。本設(shè)計基于廣州市康訊動力科技有限公司生產(chǎn)的12 V 20 A集中供電電源為基礎(chǔ)，在原電源電路上加上基于TCP/IP協(xié)議的遠(yuǎn)程管理功能模塊。模塊采用有源以太網(wǎng)（Power Over Ethernet，POE）供電方式，無須額外提供電源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

如圖1所示，數(shù)據(jù)通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，經(jīng)過W5500以太網(wǎng)控制器處理，送到STM32F103 MCU（下文MCU均代表型號為STM32F103的微控制器）。220 V市電輸入主電源電路，變成輸出12 V20 A的直流電源。主電源電路與MCU連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程開/關(guān)控制及電流電壓檢測。POE交換機輸出的直流電源，通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，進入POE電源轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成MCU及W5500以太網(wǎng)控制器需要的5 V、3.3 V電源電壓。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1 ?硬件設(shè)計

2.1.1 ?主電源部分

主電源部分為220 V市電輸入，輸出電壓12 V，電流20 A的開關(guān)電源電路，主電源驅(qū)動采用成熟的TL494電源管理芯片，電源變換器使用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1.2 ?主電源電流與電壓采集

電流檢測使用了Allegro公司一種基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器IC芯片ACS712，ACS712具有2.1 kV RMS電壓隔離和低電阻電流導(dǎo)體的全集成。Allegro的ACS712可以為工業(yè)，商業(yè)和通信系統(tǒng)中的AC或DC電流感應(yīng)提供經(jīng)濟、精確的解決方案[1]，特別適合要求電氣隔離的電流采樣方式。電流、電壓檢測原理圖如圖2所示。

如圖2所示，12 V正電壓經(jīng)U1的1、2腳輸入，從U1的3、4腳輸出，U1檢測到的電流信號Iv送到MCU電流檢測輸入端。輸出的電壓12V+o經(jīng)過R4、R5分壓，得到1/10的比例電壓Vf，送到MCU電壓檢測輸入端。

2.1.3 ?主電源開/關(guān)控制

主電源的開/關(guān)可以通過MCU、W5500以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，其控制原理圖如圖3所示。

如圖3所示，主電源正常工作為開時，12V+o的輸出電壓通過R7提供給Q1基極偏置電流，Q1導(dǎo)通，E3兩端電壓為0 V，TL494第4腳DTC的死區(qū)電壓為0 V，TL494驅(qū)動輸出為開啟狀態(tài)。當(dāng)MCU收到W5500以太網(wǎng)控制器的遠(yuǎn)程關(guān)電源信號時，MCU電源控制腳驅(qū)動U2光耦導(dǎo)通，R7提供給Q1基極偏置電流為0 V，Q1截止TL494第14腳的5 V基準(zhǔn)電壓Vref通過R6給E3充電，當(dāng)E3充滿電后，電壓通過D2加到TL494第4腳，TL494第4腳有死區(qū)電壓時，TL494驅(qū)動封鎖，輸出為關(guān)閉狀態(tài)，主電源停止工作。圖3的電路除了具備開/關(guān)機功能，還可以實現(xiàn)主電源開/關(guān)的軟啟動和輸出短路保護功能。

2.2 ?TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制部分

以STM32F103 32位ARM微控制器做主控，W5500以太網(wǎng)控制器做網(wǎng)絡(luò)通信單元，網(wǎng)絡(luò)控制電源使用POE有源器件控制器TPS23753芯片。

2.2.1 ?主控電路

TCP/IP協(xié)議處理的數(shù)據(jù)量比較大，需要使用高速、容量大的微控制器為主控。STM32F103xx集成了以72 MHz頻率運行的高性能ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，高速嵌入式存儲器（閃存存儲器最高128 kB，SRAM最高20 kB）[2]。芯片集成定時器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種外設(shè)功能，時鐘頻率達到72 MHz，為同類產(chǎn)品中性能最高。內(nèi)部包含大容量只讀程序存儲器，具有豐富的引腳結(jié)構(gòu)以及在線系統(tǒng)編程（ISP）功能，可以滿足本設(shè)計的需要，故選用STM32F103微控制器為該系統(tǒng)的主控制電路。系統(tǒng)的主控制電路如圖4所示。

為方便該系統(tǒng)與電腦連接，實現(xiàn)編程及調(diào)試，使用USB接口CH340G芯片。電路原理參看圖4中U7 CH340G USB接口芯片部分。

2.2.2 ?以太網(wǎng)控制器

W5500芯片是硬連線的TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，可使用串行外圍接口（SPI）為嵌入式系統(tǒng)提供更便捷的Internet連接。使用單個芯片實現(xiàn)TCP/IP堆棧，10/100 Mbps以太網(wǎng)MAC和PHY，最適合需要高穩(wěn)定性互聯(lián)網(wǎng)連接的用戶。W5500使用32 kB內(nèi)部緩沖區(qū)作為其數(shù)據(jù)通信存儲器，用戶可以通過使用簡單的套接字程序而不用處理復(fù)雜的以太網(wǎng)控制器來實現(xiàn)所需的以太網(wǎng)應(yīng)用程序。提供SPI（串行外設(shè)接口）以便與MCU輕松集成。W5500的SPI支持80 MHz速度和新的高效SPI協(xié)議[3]，因此用戶可以實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。以太網(wǎng)控制原理圖如圖5所示。

2.2.3 ?以太網(wǎng)控制電路的電源

以太網(wǎng)控制電路的電源，使用POE供電方式。POE供電是一種可以在以太網(wǎng)中透過雙絞線來傳輸電力與數(shù)據(jù)到設(shè)備上的技術(shù)。POE供電能借以太網(wǎng)獲得供電，無需額外的電源插座，能省去配置電源線，使成本相對降低。POE不需要更改以太網(wǎng)的纜線架構(gòu)即可運作，采用POE系統(tǒng)既節(jié)省成本易于布線安裝又能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程通電、斷電的功能[4]。

本設(shè)計的電源屬于受電端設(shè)備PD，PD的核心部分為電源管理芯片，采用TI的芯片TPS23753，該芯片技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定。POE電源模塊原理圖如圖6所示。

2.3 ?軟件程序設(shè)計

本設(shè)計采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸。TCP/IP協(xié)議劃分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層的4層模型結(jié)構(gòu)。TCP/IP模型及協(xié)議[5]，如表1所示。

為節(jié)省資源，提高運行速度和效率，本設(shè)計采用UDP方式傳輸。W5500以太網(wǎng)控制器已經(jīng)集成了TCP/IP協(xié)議棧，只需要選擇UDP工作方式即可，不需要對其編程，因此，只需要對MCU編寫程序。

設(shè)備啟動，MCU給W5500加載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，選擇工作方式，W5500完成初始化后，等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，收到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)請求時，請求MCU接收數(shù)據(jù)，MCU發(fā)出許可指令后，W5500把數(shù)據(jù)發(fā)給MCU，MCU將收到的數(shù)據(jù)作指令解釋，執(zhí)行指令，MCU將主電源電壓、電流值采集，按格式打包數(shù)據(jù)送至W5500，由W5500通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端請求的設(shè)備（電腦）。如果MCU收到的是開啟/關(guān)閉主電源的指令，通過圖4中的主電源遠(yuǎn)程開/關(guān)控制接口，控制主電源的開/關(guān)狀態(tài)。

3 ?電路板設(shè)計及調(diào)試

為了在弱電系統(tǒng)工程中方便安裝工作，將整個電源設(shè)計成導(dǎo)軌安裝方式，分兩塊電路板，上下層結(jié)構(gòu)，嵌裝在一個帶導(dǎo)軌支架的鋁質(zhì)外殼內(nèi)。經(jīng)過優(yōu)化布線設(shè)計的PCB電路板如圖7所示。

如圖7所示，圖7（a）為主電源板，包含有TL494電源驅(qū)動，高頻變換器，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖7（b）中電路板由以太網(wǎng)控制部分、主電源的市電輸入EMI濾波部分、直流12 V輸出濾波部分構(gòu)成。以太網(wǎng)控制部分有RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，USB編程接口，方便在線編程調(diào)試。在Keil編譯器上使用C語言進行編程，通過USB編程接口，將程序?qū)懙組CU中。使用通用的TCP/IP調(diào)試工具，可以實現(xiàn)調(diào)試、設(shè)置及遠(yuǎn)程操作。

4 ?結(jié) ?論

本文對基于TCP/IP協(xié)議遠(yuǎn)程管理電源的實現(xiàn)進行了分析，利用STM32F103微控制器為主控，基于TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，采用POE網(wǎng)絡(luò)供電方式，實現(xiàn)了電源的遠(yuǎn)程管理，并對外觀、電路板設(shè)計進行了描述。該系統(tǒng)有效降低了弱電工程維護人員的工作量，提高相應(yīng)設(shè)備維護的效率，具有良好的實用價值。

參考文獻：

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[4] 維基百科.以太網(wǎng)供電 [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] 陳欣.基于TCP/IP協(xié)議的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā) [J].電源技術(shù)，2015，39（8）：1760-1761.

作者簡介：劉木泉（1968—），男，漢族，廣東肇慶人，研發(fā)部工程師，研究方向：電子電源、自動化控制。