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自主供电网络通信模块设计与实现

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丁颖

摘要：基于W5500芯片的网络通信模块设计技术的成熟，该网络通信模块的运用也越来越广泛，但在一些特殊场合需要长距离且便捷的方式实现通信和供电两种方式，因此，设计了一套自主供电网络通信模块。基于TCP/IP协议设计的网络通信模块的功能基本相同，文中提出一种自主供电的通信模块方案，该模块由控制单元、POE交换机、通信模块和用户端组成，并介绍了根据此方案实现自主供电网络通信模块，包括结构设计方法和工程应用中的难点。实际应用情况证明了此方案的可行性和有效性。

关键词：通信模块；供电；TCP/IP协议

全国海洋航行器设计与制作大赛由中国科协、工信部指导，中船重工、中船工业、中国造船工程学会和中国海洋学会主办，面向全国高校、科研院所在校生的综合性竞赛，是我国船舶与海洋工程领域内层次最高、规模最大、覆盖最广的竞赛。随着国家海洋战略的推进，全国海洋航行器设计与制作大赛规模和影响力越来越大，为了规范和推进全国海洋航行器设计与制作大赛中智能航行比赛，需要相应的比赛系统对比赛过程进行控制，对比赛结果进行准确、客观的评价。

第五届全国海洋航行器设计与制作大赛在江苏科技大学举行，智能航行比赛、竞速比赛和帆船比赛作为其中较为重要的3项比赛，均由本实验室接手，研究及熟悉系统的操作并确保比赛中的正常运行。比赛结束后，实验室负责3项比赛系统的重新设计和实现，在原有比赛系统和经验的基础上，保留优点改进有缺陷的地方，设计了新的智能航行比赛系统、竞速比赛系统和帆船比赛系统，这3项比赛功能类似，可以合并设计。

在对比赛系统设计的过程中，首先需要解决的就是原先比赛中存在的一个很大的缺陷，即串口通信速度慢，并且通信和供电线路复杂。所以在新的比赛系统中选择网络通信，能够提高通信的速度，基于TCP/IP协议的网络通信模块在现有的市场很成熟，所以在设计和制作上并没有很大的难度。但由于比赛系统的特殊性，需要精简线路，且电源线越长越多越容易损耗，将网络通信和供电集成在一个模块上，使用一根网线实现通信和供电，方便且简洁，满足比赛的要求[1]。

本系统使用以太网供电（Power Over Ethernet，POE）交换机供电，提供24 V电源，通过网线连接POE交换机和网络通信模块，实現通信和供电两种功能。所研制的自主供电网络通信模块经过长时间多次测试，运行稳定，达到设计指标[2]。

1 功能与结构

自主网络通信模块由控制单元、POE交换机、网络通信模块和用户端组成。控制单元监管网络通信模块的工作，POE交换机作为数据传输提供通信通道和提供24 V电源，网络通信模块能够实现传输数据和供电，用户端提供数据传输接口接收数据[3]。自主网络通信模块的结构设计如图1所示。

1.1 控制单元

控制单元作为整个模块的核心，接收处理用户端发送的信号，控制通信模块以及外接模块，起到调配的作用，同时也可将外接模块发送的信号反馈到用户端。控制单元采用的是型号为Stcl5w4k48s4的单片机，造价便宜、功能强大，能够满足系统要求。

1.2 POE交换机

POE交换机端口符合IEEE802.3 af/802.3 at标准，通过网线供电的方式是标准POE终端设备供电，可以免去额外的电源布线。POE交换机就是支持网线供电的交换机，不仅可以实现普通交换机的数据传输功能，也能同时对网络终端供电[4-5]。

1.3 网络通信模块设计

主控单元通过以太网通信模块与用户端通信，接收用户端的指令并根据指令进行工作。网络通信模块提供通信和供电，系统采用POE供电方式，通过网线直接从POE交换机获取24 V直流电供系统使用。网络通信模块是基于W5500芯片的以太网模块，模块集成硬件化TCP/IP协议，网络通信模块是将供电和网络通信两个功能集合在一块板子上[6-7]。网络通信模块实物图如图2所示，其中标识①为W5500芯片，②为降压电路，将输入的24 V转换成5 V和3.3 V直流电供导引门系统使用，③为RJ45通信供电接口，④为外部供电。

2 电路板设计与制作

2.1 电路板设计

网络通信模块的原理示意如图3所示，包含通信功能和供电功能两块的设计。

2.2 W5500芯片

W5500芯片是一款全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，使嵌入式系统可通过SPI接口连接到网络。选择W5500芯片完全作用于网络通信模块，是因为W5500具有完整TCP/IP协议和10/100 Mbps以太网网络层和物理层。W5500芯片的优点在于实现以太网应用很便捷，只需运用一些简单的Socket编程就可，使得嵌入式以太网方案的实现更快捷、方便[8]。

SPI串行外设接口可轻松与外部MCU接口相连接，在作为外设主机接口时，共有SCSn，SCLK，MOSI，MISO 4路信号，并可作为SPI从机工作。采用较多的是可变数据长度模式，SCSn信号受主机控制，W5500与其他SPI设备共用SPI接口，如图4所示。

2.3 降压模块

POE交换机生成额定电压通过RJ45接口输出24 V供电，但板卡使用的电压多为5 V和3.3 V，使用需要使用降压模块，降压模块为基于2375芯片所产生的3个降压模块，分别为24 V转12 V，24 V转5 V和24 V转3.3 V，该降压模块使用的为2575-12， 2575-5和2575-3.3这3块芯片。

LM2575芯片是标准电压产品，可提供3.3 V，5 V，12 V，15 V及可调等多个电压档次产品，封装使用的是TO-220。本系统一共使用了3个降压模块，除了选用的芯片型号不一样，模块设计电路图一致，电路图如图5所示。

常见的RJ45接口有两类，DTE（数据终端设备）类型，用于以太网网卡和路由器以太网接口等，DCE（数字通信设备）类型，用于交换机等。本系统使用的DCE类型，直通线连接，该RJ45接口为可供电接口，共有10个引脚。网络通信模块通过网线将POE交换机和RJ45接口相连接，实现通信和供电一体模式，既方便又简洁。RJ45接口连接如图6所示。

3 模块测试

在自主供电网络通信模块研制结束后进行测试，使用的是TCP&UDP;调试工具，测试网络通信模块通信是否正常。在用户端安装TCP&UDP;调试工具，如图7所示，与网络通信模块连接，实现通信。通信成功之后需要测试模块运行的稳定性，使自主供电模块与用户端连接并向用户端发送数据，持续运行24 h以上，确保模块运行正常。

4 结语

本文构建的可自主供电网络通信模块，该模块由控制单元、网络通信模块、POE交换机和用户端组成。网络通信模块集供电和通信功能于一个模块，使用POE交换机为网络通信模块提供24 V直流电，且实现用户端与控制单元的通信，提高了模块的稳定性和可靠性。该自主供电网络通信模块已投入到使用中，在全国海洋航行器设计与制作大赛的智能航行比赛、竞速比赛和帆船比赛中使用的就是该模块。

[参考文献]

[1]杨柳铭，韩会杰，周雪，等.基于TCP/IP协议的网络监控开关开发[J].传感器与微系统，2016（7）：97-99.

[2]邓石梅，龙沪强.以太网供电技术及受电端电路设计[J].自动化仪表，2012（3）：80-83.

[3]郭瑞鹏，孔德锁，梁钊铭，等.井下气体监测系统的嵌入式网关设计与实现[J].测控技术，2017（4）：98-102， 108.

[4]张鑫，郎莹.基于以太网交换机的电源管理与实现[J].电源技术，2017（4）：630-632.

[5]殷君，薛吉.以太网供电技术的分析和设计[J].低压电器，2007（20）：39-43.

[6]韩景生，孙国强.以太网供电技术的研究与应用[J].仪器仪表学报，2005（8）：1373-1374， 1377.

[7]应进平.以太网供电技术在CK报警系统中的应用[J].微处理机，2007（1）：67-69.

[8]WIZ net.W5500数据手册V1.3[EB/OL].（2016-02-24）[2018-05-21].http：//w5500.com/download/index/W5500数据手册/W5500数据手册VI.3.pdf.

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