丁穎

摘要：基于W5500芯片的網絡通信模塊設計技術的成熟，該網絡通信模塊的運用也越來越廣泛，但在一些特殊場合需要長距離且便捷的方式實現(xiàn)通信和供電兩種方式，因此，設計了一套自主供電網絡通信模塊。基于TCP/IP協(xié)議設計的網絡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、通信模塊和用戶端組成，并介紹了根據(jù)此方案實現(xiàn)自主供電網絡通信模塊，包括結構設計方法和工程應用中的難點。實際應用情況證明了此方案的可行性和有效性。

關鍵詞：通信模塊；供電；TCP/IP協(xié)議

全國海洋航行器設計與制作大賽由中國科協(xié)、工信部指導，中船重工、中船工業(yè)、中國造船工程學會和中國海洋學會主辦，面向全國高校、科研院所在校生的綜合性競賽，是我國船舶與海洋工程領域內層次最高、規(guī)模最大、覆蓋最廣的競賽。隨著國家海洋戰(zhàn)略的推進，全國海洋航行器設計與制作大賽規(guī)模和影響力越來越大，為了規(guī)范和推進全國海洋航行器設計與制作大賽中智能航行比賽，需要相應的比賽系統(tǒng)對比賽過程進行控制，對比賽結果進行準確、客觀的評價。

第五屆全國海洋航行器設計與制作大賽在江蘇科技大學舉行，智能航行比賽、競速比賽和帆船比賽作為其中較為重要的3項比賽，均由本實驗室接手，研究及熟悉系統(tǒng)的操作并確保比賽中的正常運行。比賽結束后，實驗室負責3項比賽系統(tǒng)的重新設計和實現(xiàn)，在原有比賽系統(tǒng)和經驗的基礎上，保留優(yōu)點改進有缺陷的地方，設計了新的智能航行比賽系統(tǒng)、競速比賽系統(tǒng)和帆船比賽系統(tǒng)，這3項比賽功能類似，可以合并設計。

在對比賽系統(tǒng)設計的過程中，首先需要解決的就是原先比賽中存在的一個很大的缺陷，即串口通信速度慢，并且通信和供電線路復雜。所以在新的比賽系統(tǒng)中選擇網絡通信，能夠提高通信的速度，基于TCP/IP協(xié)議的網絡通信模塊在現(xiàn)有的市場很成熟，所以在設計和制作上并沒有很大的難度。但由于比賽系統(tǒng)的特殊性，需要精簡線路，且電源線越長越多越容易損耗，將網絡通信和供電集成在一個模塊上，使用一根網線實現(xiàn)通信和供電，方便且簡潔，滿足比賽的要求[1]。

本系統(tǒng)使用以太網供電（Power Over Ethernet，POE）交換機供電，提供24 V電源，通過網線連接POE交換機和網絡通信模塊，實現(xiàn)通信和供電兩種功能。所研制的自主供電網絡通信模塊經過長時間多次測試，運行穩(wěn)定，達到設計指標[2]。

1 功能與結構

自主網絡通信模塊由控制單元、POE交換機、網絡通信模塊和用戶端組成。控制單元監(jiān)管網絡通信模塊的工作，POE交換機作為數(shù)據(jù)傳輸提供通信通道和提供24 V電源，網絡通信模塊能夠實現(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]。自主網絡通信模塊的結構設計如圖1所示。

1.1 控制單元

控制單元作為整個模塊的核心，接收處理用戶端發(fā)送的信號，控制通信模塊以及外接模塊，起到調配的作用，同時也可將外接模塊發(fā)送的信號反饋到用戶端?？刂茊卧捎玫氖切吞枮镾tcl5w4k48s4的單片機，造價便宜、功能強大，能夠滿足系統(tǒng)要求。

1.2 POE交換機

POE交換機端口符合IEEE802.3 af/802.3 at標準，通過網線供電的方式是標準POE終端設備供電，可以免去額外的電源布線。POE交換機就是支持網線供電的交換機，不僅可以實現(xiàn)普通交換機的數(shù)據(jù)傳輸功能，也能同時對網絡終端供電[4-5]。

1.3 網絡通信模塊設計

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

2 電路板設計與制作

2.1 電路板設計

網絡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計。

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控制器，使嵌入式系統(tǒng)可通過SPI接口連接到網絡。選擇W5500芯片完全作用于網絡通信模塊，是因為W5500具有完整TCP/IP協(xié)議和10/100 Mbps以太網網絡層和物理層。W5500芯片的優(yōu)點在于實現(xiàn)以太網應用很便捷，只需運用一些簡單的Socket編程就可，使得嵌入式以太網方案的實現(xiàn)更快捷、方便[8]。

SPI串行外設接口可輕松與外部MCU接口相連接，在作為外設主機接口時，共有SCSn，SCLK，MOSI，MISO 4路信號，并可作為SPI從機工作。采用較多的是可變數(shù)據(jù)長度模式，SCSn信號受主機控制，W5500與其他SPI設備共用SPI接口，如圖4所示。

2.3 降壓模塊

POE交換機生成額定電壓通過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芯片所產生的3個降壓模塊，分別為24 V轉12 V，24 V轉5 V和24 V轉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芯片是標準電壓產品，可提供3.3 V，5 V，12 V，15 V及可調等多個電壓檔次產品，封裝使用的是TO-220。本系統(tǒng)一共使用了3個降壓模塊，除了選用的芯片型號不一樣，模塊設計電路圖一致，電路圖如圖5所示。

常見的RJ45接口有兩類，DTE（數(shù)據(jù)終端設備）類型，用于以太網網卡和路由器以太網接口等，DCE（數(shù)字通信設備）類型，用于交換機等。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個引腳。網絡通信模塊通過網線將POE交換機和RJ45接口相連接，實現(xiàn)通信和供電一體模式，既方便又簡潔。RJ45接口連接如圖6所示。

3 模塊測試

在自主供電網絡通信模塊研制結束后進行測試，使用的是TCP&UDP;調試工具，測試網絡通信模塊通信是否正常。在用戶端安裝TCP&UDP;調試工具，如圖7所示，與網絡通信模塊連接，實現(xiàn)通信。通信成功之后需要測試模塊運行的穩(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)運行24 h以上，確保模塊運行正常。

4 結語

本文構建的可自主供電網絡通信模塊，該模塊由控制單元、網絡通信模塊、POE交換機和用戶端組成。網絡通信模塊集供電和通信功能于一個模塊，使用POE交換機為網絡通信模塊提供24 V直流電，且實現(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。該自主供電網絡通信模塊已投入到使用中，在全國海洋航行器設計與制作大賽的智能航行比賽、競速比賽和帆船比賽中使用的就是該模塊。

[參考文獻]

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[8]WIZ net.W5500數(shù)據(jù)手冊V1.3[EB/OL].（2016-02-24）[2018-05-21].http：//w5500.com/download/index/W5500數(shù)據(jù)手冊/W5500數(shù)據(jù)手冊VI.3.pdf.