弱電系統工程中遠程管理電源的實現

摘 ?要：針對電源的遠程監測及控制，提出了基于TCP/IP協議的遠程電源管理方法。敘述了遠程管理電源的系統硬件、軟件設計。提出了由STM32F103 32位ARM微控制器為主控，W5500以太網控制器為通訊單元，有源以太網為控制電源。提出了利用TCP/IP協議方式進行信息的遠程傳輸，構建遠程管理系統的Internet接口，利用網絡實現電源的遠程監測及控制。

關鍵詞：STM32F103;W5500;CH340;POE供電;TPS23753;TCP/IP協議;遠程管理電源

中圖分類號：TM769;TP273.5 ? ? ?文獻標識碼：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，這些傳統的集中供電電源并沒有遠程管理功能，要檢查電源是否正常工作，需要維護人員親自到現場檢測。弱電系統工程中，有些正在正常使用的設備比如攝像機、門禁讀卡機、門禁控制器等可能需要進行復位重新啟動，此時，也只能依靠維護人員到現場對該設備進行手動復位。如果給這些集中供電電源增添遠程管理功能，則可以實現電源的遠程監測，也可以對遠程電源實行開/關控制，從而讓設備斷電/上電重新啟動，實現了設備復位功能的遠程控制。電源添加了遠程管理功能后，既減少了維護人員的工作量，又提高了弱電系統工程設備維護的效率。

1 ?總體方案設計

本設計采用TCP/IP協議傳輸數據。TCP/IP協議是可以在多個不同網絡間傳輸數據的協議簇，不需要依賴特定的硬件或者操作系統，具有開放的協議標準，就算在不使用Internet的情況下，應用TCP/IP協議也可以使硬件和軟件的結合變得較為容易。

現今弱電系統工程中所使用的傳統式集中供電電源，技術成熟，質量穩定。本設計基于廣州市康訊動力科技有限公司生產的12 V 20 A集中供電電源為基礎，在原電源電路上加上基于TCP/IP協議的遠程管理功能模塊。模塊采用有源以太網（Power Over Ethernet，POE）供電方式，無須額外提供電源。系統結構設計如圖1所示。

如圖1所示，數據通過RJ45網絡接口，經過W5500以太網控制器處理，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，實現遠程開/關控制及電流電壓檢測。POE交換機輸出的直流電源，通過RJ45網絡接口，進入POE電源轉換器，轉換成MCU及W5500以太網控制器需要的5 V、3.3 V電源電壓。

2 ?系統設計分析

2.1 ?硬件設計

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的開關電源電路，主電源驅動采用成熟的TL494電源管理芯片，電源變換器使用半橋拓撲結構。

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體的全集成。Allegro的ACS712可以為工業，商業和通信系統中的AC或DC電流感應提供經濟、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/關控制

主電源的開/關可以通過MCU、W5500以太網控制器實現遠程控制，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導通，E3兩端電壓為0 V，TL494第4腳DTC的死區電壓為0 V，TL494驅動輸出為開啟狀態。當MCU收到W5500以太網控制器的遠程關電源信號時，MCU電源控制腳驅動U2光耦導通，R7提供給Q1基極偏置電流為0 V，Q1截止TL494第14腳的5 V基準電壓Vref通過R6給E3充電，當E3充滿電后，電壓通過D2加到TL494第4腳，TL494第4腳有死區電壓時，TL494驅動封鎖，輸出為關閉狀態，主電源停止工作。圖3的電路除了具備開/關機功能，還可以實現主電源開/關的軟啟動和輸出短路保護功能。

2.2 ?TCP/IP協議網絡控制部分

以STM32F103 32位ARM微控制器做主控，W5500以太網控制器做網絡通信單元，網絡控制電源使用POE有源器件控制器TPS23753芯片。

2.2.1 ?主控電路

TCP/IP協議處理的數據量比較大，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等多種外設功能，時鐘頻率達到72 MHz，為同類產品中性能最高。內部包含大容量只讀程序存儲器，具有豐富的引腳結構以及在線系統編程（ISP）功能，可以滿足本設計的需要，故選用STM32F103微控制器為該系統的主控制電路。系統的主控制電路如圖4所示。

為方便該系統與電腦連接，實現編程及調試，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 ?以太網控制器

W5500芯片是硬連線的TCP/IP嵌入式以太網控制器，可使用串行外圍接口（SPI）為嵌入式系統提供更便捷的Internet連接。使用單個芯片實現TCP/IP堆棧，10/100 Mbps以太網MAC和PHY，最適合需要高穩定性互聯網連接的用戶。W5500使用32 kB內部緩沖區作為其數據通信存儲器，用戶可以通過使用簡單的套接字程序而不用處理復雜的以太網控制器來實現所需的以太網應用程序。提供SPI（串行外設接口）以便與MCU輕松集成。W5500的SPI支持80 MHz速度和新的高效SPI協議[3]，因此用戶可以實現高速網絡通信。以太網控制原理圖如圖5所示。

2.2.3 ?以太網控制電路的電源

以太網控制電路的電源，使用POE供電方式。POE供電是一種可以在以太網中透過雙絞線來傳輸電力與數據到設備上的技術。POE供電能借以太網獲得供電，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不需要更改以太網的纜線架構即可運作，采用POE系統既節省成本易于布線安裝又能夠實現遠程通電、斷電的功能[4]。

本設計的電源屬于受電端設備PD，PD的核心部分為電源管理芯片，采用TI的芯片TPS23753，該芯片技術成熟，性能穩定。POE電源模塊原理圖如圖6所示。

2.3 ?軟件程序設計

本設計采用TCP/IP協議實現對數據的傳輸。TCP/IP協議劃分為應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層的4層模型結構。TCP/IP模型及協議[5]，如表1所示。

為節省資源，提高運行速度和效率，本設計采用UDP方式傳輸。W5500以太網控制器已經集成了TCP/IP協議棧，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。

設備啟動，MCU給W5500加載網絡參數，選擇工作方式，W5500完成初始化后，等待網絡數據，收到遠程網絡請求時，請求MCU接收數據，MCU發出許可指令后，W5500把數據發給MCU，MCU將收到的數據作指令解釋，執行指令，MCU將主電源電壓、電流值采集，按格式打包數據送至W5500，由W5500通過網絡發送給遠端請求的設備（電腦）。如果MCU收到的是開啟/關閉主電源的指令，通過圖4中的主電源遠程開/關控制接口，控制主電源的開/關狀態。

3 ?電路板設計及調試

為了在弱電系統工程中方便安裝工作，將整個電源設計成導軌安裝方式，分兩塊電路板，上下層結構，嵌裝在一個帶導軌支架的鋁質外殼內。經過優化布線設計的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電源驅動，高頻變換器，半橋拓撲結構。圖7（b）中電路板由以太網控制部分、主電源的市電輸入EMI濾波部分、直流12 V輸出濾波部分構成。以太網控制部分有RJ45網絡接口，USB編程接口，方便在線編程調試。在Keil編譯器上使用C語言進行編程，通過USB編程接口，將程序寫到MCU中。使用通用的TCP/IP調試工具，可以實現調試、設置及遠程操作。

4 ?結 ?論

本文對基于TCP/IP協議遠程管理電源的實現進行了分析，利用STM32F103微控制器為主控，基于TCP/IP協議進行數據傳輸，采用POE網絡供電方式，實現了電源的遠程管理，并對外觀、電路板設計進行了描述。該系統有效降低了弱電工程維護人員的工作量，提高相應設備維護的效率，具有良好的實用價值。

參考文獻：

[1] Allegro. ACS712 DATASHEET [EB/OL].（2020-01-30）.https：//www.allegromicro.com/en/products/sense/current-sensor-ics/zero-to-fifty-amp-integrated-conductor-sensor-ics/acs712.

[2] STMicroelectronics.STM32F103C8數據手冊 [EB/OL].（2015-08-21）.https：//www.st.com/content/st_com/zh/products/microcontrollers-microprocessors/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32-mainstream-mcus/stm32f1-series/stm32f103/stm32f103c8.html.

[3] WIZnet. W5500 Datasheet v1.0.9-English [EB/OL].（2019-05-22）.http：//wizwiki.net/wiki/doku.php？id=products：w5500：datasheet.

[4] 維基百科.以太網供電 [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協議的通信電源監控系統的研發 [J].電源技術，2015，39（8）：1760-1761.

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