（计算机应用技术专业论文）以太网供电设备的设计与实现.pdf

擒要 璇太两技术崔二卡多年豹笈装过程辛，姨萃一浆数据掰变成了滗台懿瘦蠲 网，目前已经包括了诸多典型应用，并得￥4 广泛使用。以太网供电技术使以太嘲 裁够为设备提供妻藏毫潆，获嚣熊够麓纯棼理劳蒂雀资源。终为以太嬲技术豹袋 新应用，阻太网供电被认为是以太网技术发展历瑕中的又个罩程碑。 本文致力予一静用户可监控的以太网供电设备姻设计实现主要包括了以下 咒方黼内容r 首先，描述了以太黼供电的独特优点及发展趋势，指出了茸前存在的大多数 戳太麟供电设备端叠壤滚管理不够灵嚣豹获点，挺措了设嚣瓣产霉鼗控懿敬泰瓣 供电设备的必簧性。 其次，在潦入磁究趱轻8 0 2 。3 a f 欧表孵供电标准中豹关键技术豹基疆8 上，袋 用瞰太瞬供电设各电源管理器t p s 2 3 8 3 a 和m s p 4 3 0 f 1 4 8 单片机，基于1 2 c b u s 通信婉范，设幸 实现了一种符合i e e e $ 0 2 3 a f 标准的用户可监控的以太网供电设 备。燕点论述了采用符含翻e e 8 铊3 a f 标准的鞋太掰供电奄源管理嚣狰s 2 3 8 3 a 和超低功耗1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 1 4 8 实现的以太网供电设备的硬件设计和软件 实瑶方法。， 艘后，给出了设计毙成的以太网供电设备在e p a 系统中的应用实例，着重 分援了该拱毫设备在蓉缝中豹逡器状况，生要包耩供电设嚣对e p a 接入设备_ 鞍 现场设备提供的电源雾数( 电压、功率) 的j f 确幢、供电设备工作时对弼络数攒 通信质量的影响程度、双色l e d 对供电设备各种运行状态羽正确指示、供电设 备终蠲篮控软件豹俸用和设备王作静温庹范舀等。 目前，。作者开发的以太网供电设备应用于e p a 系统中对e p a 无线接入设罄 帮褒场设冬送行供电，谴疆效象鑫驽。， 关键谲；斑醺姚3 a f , 鞋太爵擞电设备，可篮控鹃，t p s 2 3 8 3 a ，m s p 4 3 0 f 1 4 8 。 i ：c b u s ，e p a 重庆邮电大学硕十论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i l ht h ed e v e l o p m e n ti nm o r et h a n2 0y e a r s , e t b e m c th a v ec o m em o r er a p i d l y a n dh a v ee n t a i l e dag r e a te x p a n s i o ni nc a p a b i l i t i e s t o d a y , e t h e m e tn o to n l yh a ss o m a n yt y p i c a la p p l i c a t i o n s , i ti sa l s ob e e nw i d e l yu s e d t h et e c h n o l o g yo f p o w e ro v e r e t h e r n e t ( p o e ) m a k e st w i s t e d - p a i rc a b l i n gs a nt r a n s m i td cp o w e r + a l o n gw i t ht h e u s u a ld a t a , t on e t w o r kp e r i p h e r a l s p o en o to n l ye l i m i n a t e sw a l lt r a n s f o r m e r s , i t e n a b l e saw h o l el l e ws i f to fd 目d c w i t hac o m b i n e dd a t aa n dp o w e ri n t e r f a c e 却帕i s b a c k w a r dc o m p a t i b l ew i t he x i s t i n g1 0 。1 0 0 , o r1 0 0 0m b i t se t h e r n e te q u i p m e n t a w t h el a t e s ta p p l i c a t i o n , p o eh a sb e e nr e g a r d e da aa n o t h e rl a n d m a r ki ne t h e r n e t t e c h n o l o g i e s e v o l u t i o n ， t 、 i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ed e d i c a t et ot h ed e s i g na n di m p l e m e n to fam o n i t o r a b l ea n d c o n t r o l l a b l ep o w e rs u p p l yf q l | i p m e a ( p s e ) m a i n l yi n c l u d i n g ： i d e s c r i b e st h eu n i q u ea d v a n t a g e sa n dt h ep r o g r e s st r e n do fp o e i n d i c a t e st h e s h o r t c o m i n go fe x i s t i n gd e v i c e sw h i c hi sl a c ko fa g i l i t yi np o w e rm a n a g e m e n t ， m a db r i n g sf o r w a r dt h en e c e s s i t yo f d e s i g nam o n i t o r e da n dc o n t l l e dp s e 2 c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c ho ft h ek e yt e b l m o l o g i e so fi e e e 8 0 2 3 a f , t h ea u t h o b a d o p t st p s 2 3 8 3 a p s e p ma n dm s p 4 3 0 f 1 4 sm c u t od e s i g na n di m p l e m e n ta m o n i t o r a b l ea n dc o n t r o l l a b l ep s e t h ea p p r o a c h e so fh a r d w a r e sd e s i g na n d s o f t w a r e si m p l e m e n ta e m p h a s i z e di nt h i st h e s i s 3 g i v eo u ta l le x a m p l ew h i c hi st h ep s ei sa p p l i e di nt h ee p as y s t e m f r o mt h i s e x a m p l e t h i st h e s i sa n a l y s e st h en m n i n gs t a t u sm a i n l yi n c l u d i n gp s e sp o w e r t p a r a m e t e r $ c 珊t 既：n 心( s u c ha sv o l t a g e 。p o w e re t c ) ，t h ep s e se f f e c to ! t h e q u a l i t yo f n e t w o r k sd a t ac o m m u n i c a d o m t h ed u a lc o l o rl e d sr i g h ti n d i c a l i o no f t h ep s es t a t u s e s , t h ei l q f l g eo f t b ep s e st e r m i n a lm o n i t o rs o f o w a r ea n dt h ep s e s t e m p e r a t u r er a n g e a t p r e s e n t t h ep s ed e s i g n e db yt h ea u t h o ri sa p p l i e d mt h ee p as y s t e mt op o w e r t h e e p a w i r e l e s s a c 站d c v i a n d f i e l d d e v i c e s a n d e a r l y a g o o d e f f e c t k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 3 a f , p o w e rs o u r c i n ge q u i p m e n t ，m o n i t o r e da n d c o n t r o l l a b l e ， t p s 2 3 8 3 a ，m s p 4 3 0 f 1 4 s ，1 2 c - b u s ，e p a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖鳗电太差或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意， 学位论文储签名髻丽签字日期加名年占厅多日学位论文作者签名：孑冈i签字日期；2 卯善年占厅7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重匮鲣虫盍雯有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权 重医邮电太兰 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检素，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一躲香蓠，? 名：萄忽更一r ， 签字日期：2 p 口善年占月7 皇签字日期：+ 吱呐肛e 月p 日 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 以太网供电技术的优点及其发展趋势 为了适应智能设备逐渐向网络边缘迁移的发展趋势、减小网络布线规模和简 化网络设备郁署方式，电子电气工程师协会i e e e 于2 0 0 3 年6 月批准了以太网 供电( p o e ：p o w e r o v e , r e t h e m e t ) 技术标准i e e e8 0 2 3a f 【。以太网供电技术是指在 不改变现有的以太网c a l 一5 布线基础网络架构的前提下。用一根常规以太网线 缆在传输数据的同时提供电力供应，从而保证网络为诸如口电话机、无线局域 网接入点a p 、安全网络摄像机以及其他一些基于坤的终端设备在进行有效的数 掘传输的同时。提供终端设备工作时所需的直流电力。p o e 技术用一条通用的以 太网电缆同时传输以太网数据信号和直流电，将电源和数据集成在同一有线系统 当中，即在确保现有结构化布线安全的同时，保证了现有网络的正常运作 随着网络中母电话，口视频监控的应用，加之无线以太网应用越束越广泛， 通过以太网本身提供电力支持的要求也越来越迫切，、以太网供电成了必然趋势。 图i 1 为以太网供电应用示意图 图1 i 以太两供电席用示意图 随着以太网供电技术成本的降低，以太网供电技术将成为以太网交换机的标 准功能。这是因为以太网供电具有如下优点；o “ 1 1 仅需一套局域网布线系统连接到终端设备，简化了安装。节省丁空间： 2 ) 。集中式供电，无需额外电源，也不会延误终端设备的安装进度，。节约了 时间和费用； 3 1 能与标准以太网和快速以太网标准架构无缝集成； 4 ) 易于安装，可安装于与网络交换机相同的配线问及相同的布线面板； 5 ) 特别适用于电源布线困难的地方k i 重庆邮电犬学硕+ 论文 第一草绪论 6 ) 设备移动方便，可以移到任何有局域网线的地方。对工作场所影响最小 乃更安全，增加的网络设备无需交流电源； 8 ) 利用基于w e b 控制的s n m p 鼹络管理架构来监控设备及设备输入。输 出的数据r 设备能被远程关机或重启，而无需重启和电源开关； l 在安装无线局域网系统时，无线访问点a p 能方便的移动和连线接入； 1 1 ) 设备的发现和检测过程，确保与标准兼容的设备获得电源； 1 2 1 直流低电压有助于保护设备免受电源波动和冲击； ，1 3 1 采用标准的解决方案，能确保互操作性和兼容性，保护投资 基于上述优点，以太网供电能更好的满足v o m 和无线局域网等新应用，但 从成本上来算，又具有优势。由于企业中局域网设备的数量不断增加，因此为每 一台设备架设电源线的花费不菲，并且要为设备安装u p s 或铺设独立的备份电 网，而实现这两种方法的费用都不小。并且，许多设备必须安装在特殊的位置上 ，j 能最佳运行，而在这些位置很少能找到电源插座。以太网供电可节省电源稚线 和配电的成本。更重要的是，它使得管理人员可利用安装在网络核心的一台u p s 为分布在局域网上的多台设备提供后备电源，同时网络管理员可在自己的网络布 线室内集中地管理网络和电源配电，从而帮助简化管理，降低运行成本。“ 1 2 国内外研究现状 目前，以太网供电技术领域的研究十分活跃，各大网络设备供应商( c i s c o 、 阿尔卡特，e x t r e m e 、f o u n d r y 、h p ，n e t g e a r 等) 都在进行相关开发研究，以 太网供电芯片厂商p o w e r d s i n e ，t e x a si n s t r u m e n t s 德州仪器) 、l i n e a r ( 凌特， m a x i m ( 美信) 和n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ( 美国国家半导体) 等分别推出了支持 i e e e s 0 2 3 a f 标准的以太网供电端和受电端专用芯片。 1 2 1 国外研究现状 1 、国外半导体厂商推出的以太网供电芯片( p s e 芯片和p d 芯片l l 】凌特公司推出有l t c 4 2 5 8 及l t c 4 2 5 9 a 这两种为网络交换设备供电的四 路p o e 控制器，以便用户在新一代网络交换机、集线器及路由器中使用。l t c 4 2 5 8 可执行全部必要的电源操作，例如决定是否有兼容设备连接到电缆、分辨设备类， 型、调节电流量正常运行及通过d c 电流检测断接l t c 4 2 5 9 a 具有相同的功能， 但还增加了通过a c 电流检测断接的能力，同时。还推出有为口电话等网络外 2 重庆邮电大学硕十论文+第一章绪论 围设备供电的l t c 4 2 5 7 、l t c 4 2 5 7 1 和l t c 4 2 6 7 等p o e 接口控制器，其中l t c 4 2 6 7 还集成有一个集成开关稳压器，并具有2 5 k o 片上特征电阻和分缎电流源，极大 简化了受电设备( p d ) 设计凌特公司的p o e 控制器均满足i e e e 8 0 2 3 a f 标准的所。 有要求。” 德州仪器公司推出的p s e 控制器有t p $ 2 3 8 3 和t p s 2 3 8 4 ，前者为八端口- 的p o e 电源设备管理控制器，而后者为四端口的p o e 电源设备管理控制器。 t p s 2 3 8 3 通过标准1 2 c 串行接口进行寄存器的读写操作可控制集成电路的所有操 作。t p s 2 3 8 3 标配有五个选址引脚，因此可允许该器件对3 2 个器件进行寻址 并可通过单个主1 2 c 控制器对2 5 6 个以太网端口进行单独监控。t p s 2 3 8 4 具有三 种不同的工作模式“自动模式，端口管理模式或手工操作。同时，推出的p d 接 口控制器有t p s 2 3 7 0 和t p s 2 3 7 5 等器件。它们可以有效管理供电端与被供电设 备的发现( d i s c o v e r y ) 、分类( c l a s s i f i c a t i o n ) 及上电( d d i v e r ) 。” 3 ) 美信公司推出的p d 接口控制器有m a x 5 9 4 0 a b 、；m a x 5 9 4 1 a b 和 m a x 5 9 4 2 a b 等器件。这些器件都符合i e e e 8 0 2 3 a f 标准，提供有检测签名。分 类签名功能，以及带可编程浪涌电流控制的集成隔离开关。该类器件还具有供电 模式，宽滞回的欠压镬定( l r v l o ) 功能。和供f 电正常状态指示。其中m a x 5 9 4 1 a b 和m a x 5 9 4 2 a ，b 还将用于d c d c 转换用的p w m 控制器也集成在芯片中。利用 它们可以实现非常紧凑且高性价比的p d 供电电路。” 4 ) ，美国国家半导体公司推出的p d 接1 2 1 控制器l m 5 0 7 0 是业内首款内置有 电源管理接口端口及脉冲宽度调制器口w m ) 而且符合i e e e 8 0 2 3 a f 标准的单芯片 控制器。l m 5 0 7 0 是一款非常独特的芯片。由于具备欠压锁定( u v l o ) 阂值及回 滞、浪涌电流设定、内部供电排序功能、控制系统已绝缘或未经绝缘的直流，直 流转换器、检测电阻联系中断功能等独特功能，因此很易融入现有的系统设计之 中。” 以色列p o w e r d s i n e 公司为最终的i e e e s 0 2 3 a f 规范提供了关键技术，该 公司推出的p s e 控制器有p d 6 4 0 1 2 ( 1 2 p o r t ) 和p d 6 4 0 0 4 ( 4 p o r t ) ，p d 6 4 0 0 4 芯片内 部集成丁电源模拟与数字逻辑功能，与p d 6 4 0 1 2 一样，可以减少8 0 的外部零 件( 与其d f 一代p s e 芯片p d 6 4 0 0 8 的设计帽比较) ，同时帮助简化路由器与交换 器设备供货商的测试流程，。也提高了p o e 产品的可靠性“ 2 ，国外网络设备供应商开发以太网供电设备 由于目静以太网供电最主要的应用在无线局域网，所以很多a p 都支持以太 网供电，下面就把目光主要放在为a p 提供电力的上联设备一交换机上 1 1 c i s c oc a t a l y s t 系列 除了9 6 端口板卡，c i s c oc a t a l y s t6 5 0 0 和c a t a l y s t4 5 0 0 交换机对原有的板卡 ， 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 进行了增强，在糯个端口的1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 和1 0 1 0 0 m b p s 模块内增加电源子 卡就可让这些接口模块提供在线的电源。c a t a l y s t3 7 5 0 可堆叠交换机新的模块融 入了智能堆叠( s t a c k w i s c ) 和l o l o o m b l 以太网供电技术，c a t a l y s t3 5 6 0 交换机 在拥有以太网供电能力的同时。提供4 8 2 4 个端口可堆叠功能， 所有的c i s c o 阻太网供电产品都遵循i e e e 8 0 2 3 a f 标准，交换机能自动识别 终端设备所需要的电量另外，c i s c o 提出了分级供电智能电源管理技术，能够 精确地控制每一个端口的电力预留、分配和过载管理，以及交换机电力不足时的 电力优先分配。 2 阿尔卡特o n m i s w i t c h7 0 0 0 o n m i s w i t c h7 0 0 0 系统是支持以太网供电的交换产品，可提供关键软，硬件 部件冗余。用户在o m n i s w i t e h7 0 0 0 机箱下安装一个独立的小型电源架。然后连 接外部的电源线到提供在线供电以太网模块( o s 7 - e n i - p d 2 4 ) 的o m n i s w i t c h7 0 0 0 的机箱。在线直流供电模块符合i e e e 8 0 2 3 a f 标准，可通过以太网双绞线的4 5 、 7 8 线对来传送宣流电源，该模块支持自动检测和电源管理。每个端口最大可以 提供1 6 8 w 的直流电源输出， 3 ) 。e x t r e m e a l p m e3 8 0 0 e x l x t m cn e t w o d c s 的a l p i n e3 8 0 0 机箱系列交换机提供了智能以太网交换平 台。支持构建完整的企业级网络要求的扩充能力。灵活性、安全性和管理功能。 在可扩充方面，支持8 0 2 3 a f 以太网供电，能够线速实现基于策略的服务质量， 分配带宽和业务优先权等。 4 ) f o u n d r yf e s 2 4 0 2 4 8 0 2p o e f o u a d r y 的f a s t l r o ne d g e2 4 0 2 4 8 0 2p o e 提供2 4 或4 8 个1 0 1 0 0 b a e , e - t x 端 口。并内置2 或4 个1 0 0 0 b a s o - t x 铜线接口与m i n i - g b i c 光接口的集成端口 在所有1 0 1 0 0 m b p s 端口上提供基于8 0 2 3 a f 标准的以太网供电。通过单一电源可 提供高达4 8 0 w 的p o e 专用电力供应，能够为系统内的所有端口提供每端口l 5 w 的电力供应通过支持内置的冗余热交换电源，可提供1 0 0 的系统和p o e 冗余。 5 1h pp i o c u x v s w i t c h2 6 5 0 - p w r h p p r o c u r v e s w i t c h2 6 0 0 系列全部由低成本、可堆叠、多层，可网管型的5 0 或2 6 个端口交换机组成，它们配有4 8 或2 4 个白适应的l o l o o m t 秘端口和2 个1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 或m i n i - g b i c 连接双功能定制端口。h ps w i t c h2 6 5 0 一p w r 和2 6 2 6 - p w r 符合i e e e s 0 2 3 a f 标准，支持以太网供电，每个端口提供1 5 4 w 的 功率，另外，冗余和外部电源作为附件提供 6 ) n e t g e a rf s m 7 3 2 6 p n e t g e a r 的f s m 7 3 2 6 p 提供2 4 个1 0 1 0 0 b a s c - t x 端口并内置2 个 1 0 0 0 b a s e t x 锕线接口与m i n i - g b i c 光接口的集成端口。在所有1 0 1 1 0 0 m b p s 端 口上提供基于i e e e 8 0 2 3 a f 标准的以太网供电交换机内置的冗余电源可以使 v o 口网络与无线局域网的可靠性大大提高依靠其电源管理特性以及智能化2 3 层数据交换特性，结合n e t g e a r 企业级具有以太网供电功能的无线接入点 w g 3 0 2 和w a g 3 0 2 ，为企业级用户提供完整的解决方案。 1 2 2 国内研究现状 近两年。国内对以太网供电技术的研究开始重视，主要的研究有= 1 ) 华为3 c o mq u i d w a # s 3 9 5 2 p - p w r - e i s 3 0 2 6 c p 1 i i “” q u i d w a y es 3 9 5 2 p - p w r - e i 交换机( p 积型号) 支持p o b ，即可通过双绞线向远 端下挂p d 设备提供- 4 8 v 直流电源，实现对下挂p d 设备远端供电。作为供电方、 p s e ( p o w e rs o u r c i n ge q u i p m e n t ) 设备，支持i e e e s 0 2 3 a f 线路供电杯准，同时 也可以兼容不符合8 0 2 3 a f 标准的p d ( p o w e r e dd e v i c e ) 设备交换机远端供电 时每个以太网口向下挂设备提供的最大功率分别为1 2 5 w ( 使用交流电源) 和 1 5 4 w ( 使用直流电源) 。 s 3 0 2 6 c - p w r 智能型以太网交换机具有p o e 功能，可通过以太网双绞线向下 挂阿远端供电。作为供电方p s e 。遵循i e e e 8 0 2 3 a f 以太网供电标准，交换机 可通过3 6 类双绞线的数据线( i 2 ，3 6 ) 同时传递数据和电流，也可通过3 5 类双绞线的数据线( i 2 ，3 6 ) 传递数据，空余线“5 ，7 8 ) 传递电流。可通过命 令行完成相关供电参数配置，也可通过模式按钮进行选择。 2 l 中兴w l l 2 p w 1 0 5 p 1 w i l 2 p 是向z x r l ow a s 系统的w 2 0 0 a w 8 0 0 a w 1 0 1 p 提供1 2 端口以太网供电 ( p o e ) 4 8 v 电源的交流变直流电源设备利用以太网线中原来没有定义的2 对线 ( 4 5 ，7 8 号线) 来传输电源，输出总功率4 8 v 3 6 a ；每路输出功率4 8 v 3 0 0 l a 。 w 1 0 5 p 是向z x r t ow a s 系统的w 2 0 0 a 脚8 0 0 a w 1 0 1 p 提供5 端口以太网供电 ( p o e ) 4 8 v 电源的交流变直流电源设备。其中3 个w 1 0 5 p 可组成1 5 端口、1 9 英寸 标准宽。l u 高的p o e4 8 v 电源的交流变直流电源设备。 1 3 本论文研究的主要内容 以太网供电技术带来的最直接的好处，就是实现了数据和电源的共网传输， 这样就给用户接入端网络的布设带来了极大的灵活性，并节省了相应电源基础设 施建设的费用。以太网供电电源管理芯片l t c 4 2 5 9 、m a x 5 9 1 3 等支持自动的电 源管理，无需用户的额外操作，这为实现以太网供电提供了便利条件，同时，也 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 为以太网供电设备的供电端口控制的灵活性带来了一定限制。t p s 2 3 8 3 a 是美国 德州仪器公司( n ) 推出的一款符合i e e e 8 0 2 3 a f 标准的可编程的以太网供电电 源管理芯片，在运用它设计的以太网供电设备中，用户可以通过终端监控程序方 便的对每个端口进行灵活的电源管理。在具体实现时采用m s p 4 3 0 f 1 4 8 “单片 机通过1 2 c b u s ”控制t p s 2 3 8 3 a 本论文研究的主要内容包括以下几个方面：。 】) 研究以太网供电技术标准m e e s 0 3 3 a f ，采用电源管理芯片t p s 2 3 8 3 a ， 设计符合标准的以太网供电设备( p s e ：p o w e rs o u r c ee q u i p m e n t ) ； 2 ) 研究m s p 4 3 0 f 1 4 8 单片机的体系结构、c p u 和存储系统。片内外设的运 行控制技术和应用方法l 3 ) 研究1 2 c - b u s 控制技术。并采用它实现m s p 4 3 0 f 1 4 8 ( 主控设备) 与 t p s 2 3 8 3 a ( 受控设各) 之间的透信l 4 ) 设计应用在以太网供电设备中的m s p 4 3 0 f 1 4 8 单片机的运行控制软件和 终端监控界面，以实现友好的人机交互； 5 ) 对以太网供电的相关技术进行展望，提出有待解决、完善的一些问题， i 4 本章小结 本章首先简要介绍了以太网供电技术的优点及其发展趋势；然后介绍了当前 国内外以太网供电技术的研究现状；最后，归纳了本文的主要研究内容。 重庆邮电大学硕士论文第二章以太网供电标准i e e e s 0 2 3 a f ， 第二章以太网供电标准ie e e 8 0 2 3 a f 早在1 9 9 9 年。通过以太网电缆提供电源就已经不是什么新的理念，当时就 已经有许多知名公司提供了各自的专有解决方案。为保证不同厂家之刚的各种设 备实现全面的互操作性，规范和促进以太网供电市场的发展，在2 0 0 3 年6 月国 际电子工程师协会( i e e e ) 最终批准了8 0 2 3 a f 标准。该标准定义了一种允许通过 以太网在传输数据的同时输送d c 电源的方法，它能安全、可靠地将以太网供电 ( p o e p o w e ro v e rf t h e r n e t ) 技术引入现有的网络基础设施中，并且和原有的网 络设备相兼容，它最大能提供1 2 9 f i w 的功率，这样小型网络设备就可通过以太 网连接供电而无需使用墙上的a c 电源插座，从而大大简化了布线，降低了网络 基础设施的建设成本。另外，通过i i p s 各份的局域网供电，还可以使网络设备免 受电网掉电的影响，像传统电话那样，在停电的时候仍然可以运转这些设备可 以是v o i p ，w l a na p 。工业自动化设备、安全系统。网络相机或几乎任何通常由 墙上变压器供电而连接到以太网的小型网络通信设备。“4 2 1p o e 系统的构成 在p o e 系统中，提供电源的设备被称为供电设备( p s e ：p o w e rs o u r c i n $ e q u i p m e n t ) ，+ 而使用电源的设备称为受电设备( p d ：p o w e r e dd e v i c e ) 。o ” p s e 负责将电源注入以太网线，并实施功率的规划和管理。可以采用两种类 型的p s e ，。一种为“e n d p o i n tp s e ”，另一种为“m i d - s p a np s e ”。 e n d p o i n tp s e ( 端跨供电设备) 就是支持p o e 的以太网交换机、路由器、集线 器或其它网络交换设备，以太网供电功能已经集成到交换机、集线器等网络交换 设备中，作为这些网络交换设备的一个基本功能。 m i d - s p a np s e ( 中跨供电设备) 是用来将以太网供电功能添加到现有网络的一 种设备，它专门用于电源管理，并通常和交换机放在一起，和交换机一样也有多 路输入输出r j - 4 5 端口，对应每路的两个r j 4 5 插孔。一个用短线连接至不具有 以太网供电功能的网络交换设各，作为数掘输入口“而另一个连接到支持 8 0 2 3 a f 供电的远端用电设各( p d ) 。作为数据电源两用的r j 一4 5 输出口 m i d - s p a n 设备通常通过未使用的4 5 和7 8 线对来承载供电，剩下的部分预留 给数据传输，电源在机箱内被注入网线而信号未作任何调整 p d 则有多种形式，如i p 电话机、网络摄影机、无线桥接器、收银机。安全 存取与监测系统等。实际上。任何需要数掘连接并能在1 3 f f 或更低功率下工作的 设备都可无需 c 电源或电池供电，仅从r j - 4 5 插座就能够得到相应的电力 重庆邮电犬学硕士论文 第- 二章以太网供电标准i e e e 8 0 2 3 a f 图2 t 给出了采用m i d - s p a n 的p o e 系统工作示意图。“ 图2 采用i l i d - s p a n 的p o e 系统工忭示意图 2 2 以太网供电设备p s e 2 2 1p s e 的基本特点 p s e 负责p o e 系统的电源管理。它连续监视网络上p d 设备的连接状况并根 据p d 的功率要求，将适当的电力通过五类( c a t - 5 ) 电缆中的信号线对( 仅在 e n d p o i n tp s e 中采用) 或备用线对输送到p d 。并在p d 下线( o f f l i n e ) 时切断电源一 图2 21 0 l o o m b p s 网络的r j 一4 5 详图 i 重庆邮电大学硕士论文 第二二章以太阿供电标准i e e e 9 0 2 3 a f 一条t 一5 以太网电缆在一个普通保护层内包含4 对2 4 号无屏蔽双绞铜线， 电缆每端都有r j - 4 5 连接器在一个典型的i o b a s e - t 或i o o b a s e - t x ( 1 0 1l 0 0 ) 网 络中；有两个线对( “信号线对”) 用于数据传输( i 2 ，3 6 线为数掘线对，l 和 2 用于发送，3 和6 用于接收) 。，而另两个线对r 备用线对”) 未用。1 0 0 0 b a s e - t ( 通 过铜线进行千兆级别速率的传输) 网络使用所有4 个线对，而且与以太网供电的 大部分信号方式都是兼容的图2 2 为1 0 1 1 0 0 眦p 8 网络的r j 一4 5 示意图，而在 1 0 0 0 m b p s 网络中，双绞线的所有8 根线都作为信号线。 e n d p o i r l tp s e 支持i o b a s e - t ，i o o b a s e - t x 和1 0 0 0 b a s e t 网络，e n d p o i n $ 的 p o e 系统中的p s e 可以在信号线对之间或备用线对之间( 但不是两者同时) 提供轫； 称4 8 v 的d c 电源。其中在信号线对之间传输电力时，4 8 v 电源通过向耦合变压 器的中间抽头供电以共模方式施加在双绞线上，对于差分数据信号没有影响，并 且由于耦合变压器的隔离，也不会对数据收发器产生影响。 m i d - s p a np s e 只支持i o b a s e - t 和l o o b a s e l x 网络，而对1 0 0 0 b a s e - t 网络 的支持8 0 2 3 a f 标准目前还未定义。m i d - s p a np s e 在备用线对之间提供4 8 7 的 d c 电源。m i d - s p a np s e 较e n d p o i n tp s e 需要额外的线缆，占用了更多的空日j ， 并增加了系统成本。但可以作为不具有以太网供电功能的交换机集线器的有益 补充，适合于对现有网络进行升级和端口密度较小的网络，避免了设备升级时系 统成本的大幅提升。而在建设一个全新的局域网系统时，e n d p o i n tp s e 是最佳 的选择。图2 3 为p o e 系统工作原理图。 图2 3p o e 系统i ：信原理图 重庆邮电天学硕士论文第一二章以太网供电标准e e e 9 0 2 3 a f 2 2 2p s e 的工作步骤 一个p s e 的工作步骤大致可以分为以下几个阶段：债测，分级( 功率分配) ， 上电，断路检测。 一、侦测 检测可防止老式设备遭受p o e 的4 8 v 输出的损坏。而且是建立一个p o e 连接 的第一步，因此，它是p s e 最为重要的职责所在。如果未能进行正确的检测，则 p s e 的所有其它方面都将是毫无用处的。p s e 控制器i c 的检测电路不应由于噪声、 偏移、连接松动或复数阻抗的影响而错误地发现一个p d 。由于2 5 k 的特征电阻 是通过最长可达1 0 0 m 且具备共模噪声抑制能力( 双绞线电缆线路往往拥有该优 势) 这一有利条件的电缆来测量，所以，对外部噪声的耐受和抑制特性是至关重 要的，至电缆的电感耦合会引发幅度与被测信号幅度接近的噪声。 表2 1 侦测过程中对p s e 输出端口的特征规定 参数符号单位m i nm a x补充说明 l开路电压 v o cv 3 0只在侦测模式f 2 短路电流l s cm a5只在侦测模式f 】有效的探测电压v v a l i d v 2 8l o 。两测试点间的电压差 a v t e 髓 v l ， t b p，m s2此时问间隔表明侦测频率 两测试点间的时间间隔 最大为5 0 0 h z 6 电压的斜率v s l e w、| o r 7 可接受的信号阻抗r o o dk n 1 92 6 5 0 需要拒绝的信号阻抗 r b a dk n 1 53 ， 9 。 开路阻抗 r o p e n 岫5 0 0 l o可接受的信号电容 c g o o d。n f 1 5 0 l i 需要拒绝的信号电容 c b a d。u p 1 0 1 2。允许的信号电压偏移 、v o s l vo2 o 1 3 允许的信号电流偏移 l o su a 0 1 2 在允许p s e 向线路供电之前，它必须用一个有限功率的测试源来检查特征电 阻，以避免将4 8 v 电源加给非兼容p o e 的网络设备，对其造成危害。在加电之前， p s e 首先用2 8 v 至1 0 v 的探测电压去侦测是否有p d 接入，具体实施时是将2 8 v 至1 0 v 之间的两个电压( 间隔在1 v 或以匕) 送到网络链路，然后根据得到的两个 不同的电流值再作运算( a v i ) ，通常我们将此方法称为两点检测法为了便 重庆邮电大学硕十论文第二章以太网供电拓准i e e e 8 0 2 ，3 a f 于p s e 识别。i e e e 8 0 2 3 a f 对在侦测p d 过程中的p s e 端口电气特征规范进行了 j i f ：格的规定，如表2 1 所示连接到p s e 端口的p d 在经过以太网线缆后在p s e 端口上所呈现的电气特性，必须严格符合表中所规定的电气参数才能被l x 3 e 视为 是有效的p d 。 二、分级 一旦侦测到有效的p d ，p s e 需要了解p d 的用电量，以便于系统对电源的管 理，这个过程称为p d 分级( i e e e 标准规定此过程是可选的) 。这一阶段p s e 利用 一个1 5 5 v 至2 0 5 v 的探测电压来检测p d 的功率级别。p d 通过从线上吸收一个 恒定电流( 分级特征信号) 来向p s e 表明自己所需的最大功率。p s e 测量这个电流 以确定p d 属于哪个功率级别，分级期间使用的p s e 电压源必须限制到i o o m a ， 以避免损坏失效的p d ，而且它的连接时间不能超过7 5 m s ，以对p d 功耗加以控制。 表2 2 列出了分级情况及其恒流特征 表2 2p d 分级阶段对p s e 输出端口的规定 e e e 8 0 2 3 a f 级别 分级特征电流p s e 最小输出功率 说明 0o - 5 r n al 量4 - p d 功率未知，不分级 ； l8 - 1 3 m a 4 o 霄 低功耗p d 2 i 争- 2 l m a 、 7 o - 中等级功耗p d 32 5 - 3 l m a 1 1 5 4 - 高功耗或全功率p d 4 3 5 - 4 5 m a1 5 4 保留，功率情况同0 级 在分级期间，p s e 必须维持一个1 5 5 v 至2 0 5 v 之间的输出，这样它就能够 测量p d 的分级特征并确定p d 所需功率的大小。一个不良的分级测量结果或错误 的功率分配方案都有可能使p s e 过载并导致整个p o e 网络失效。 对于分级稳定性而言，最大的不利因素也许就是p o 。8 0 2 3 a f 标准只要求p d 吸收电流与5 级当中的一级相符。在p d 端口电压进入1 4 5 v 至2 0 5 v 的分级范 围之6 f 。一个p d 有可能仅吸收非常小的电流。此时，p d 可以闭合一个月= 关并立 即对该端口施加高达4 4 m a ( 4 级) 的负载电流。这种负载的阶跃可能导致端口电压 过冲至分级范围之外，甚至达到4 8 v 因此p d 将关断其分级电流，直到p s e 重 新将其输出置于受控状态之下为止，如此循环往复。当p d 施加其分级电流时。 p d 设计师应对电流增加的速率加以限制。 分级是任选的。在对p d 供电之前，p s e 无需对它们进行分级；0 级允许p d 不参与分级。然而，客户却希望进行分级，因为未分级的设各会浪费功率。从而 蒙受经济损失。分级提供了三个功率上限值( 分别为4 o w 。7 删和1 5 4 w ) 处 于对应分级中的保证绝不超过这些功率上限值。由于知道2 级( c l a s s2 ) p d 将永远不会需要超过7 l 的功率，因而可将一个2 4 端口p s e 设计成从一个1 8 0 w 电源向2 4 个2 级p d 供电。而如果未进行分级，则相同的电源便只能够为 1 8 0 1 5 4 = i i ；个p d 供电了。 尽管分级能够更好地利用p s e 的可用功率，但是，相对效率而占，8 0 2 3 a f 标准仍然更加注重可靠性。p s e 绝不能够使其自身处于过载状态。为此，该标准 强制规定了一个名为”功率分配的功率核算与储备方案，作为防止发生过载的主 要方法。当一个p s e 向一个p d 施加功率时，不管该p s e 的其它端口上发生了什 么事情。它都将保证这一功率。p s e 能为其供电的所有p d 储备分级相适应的功 率。并将总储备功率保持在其电源的供电能力之下。这样，p s e 便能够始终拥有 满足p d 需求的足够功率。、 三上电 成功侦测和分级后，p s e 就可向p d 供电了供电期间，p s e 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p s e 给p d 供电后必须符合表2 3 的规范要求和所有的电源一样，电容器也是p s e 的一个关键组件：大容量的电 解电容器用于处理负载电流