基于龙芯 2H的 POE网口检测和功率管理的研究

刘绍焕

广州市瑞盛科技有限公司 511458

摘要：本文在项目实践基础上，进行了POE网线线序检测和端口功率分配方案的研究和实现。处理器基于龙芯2H，通过线线序检测电路，MCU对模拟信号进行AD采样，然后通过SPI协议与处理器通信。对网线中的8根线，进行各组线对的连接顺序检测分析。检测结果包括正常、短接、断路、接错共4种方式，同时显示检测结果和所测线对的线缆阻抗。此外，对POE交换机上的各个端口的功率进行合理的分配，提高能量的利用率。

关键词：POE、 线序、功率分配、龙芯2H

ABSTRACT

Based on the project practice, this paper studies and realizes the line sequence detection and port power distribution scheme of POE network. The processor is based on Godson 2H. Through the line and line sequence detection circuit, MCU samples the analog signal AD, and then communicates with the processor through SPI protocol. For 8 lines in the network, the connection sequence of each pair of lines is detected and analyzed. The test results include normal, short circuit, open circuit and wrong connection. At the same time, the test results and the cable impedance of the tested line pair are displayed. In addition, the power of each port on the POE switch is allocated reasonably to improve the utilization of energy.

Key words: POE, line sequence, power distribution, Loongson 2H

0 引言

现有POE网络设备，主要是通过从POE交换机的RJ45端口上，获得直流电源，然后给相应的受电设备供电。一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE, Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD, Powered Device)两部分。PSE输出电压范围44V至57V,PD受电电压范围36V至57V。若连接PSE和PD两者之间的网线线序不正确时，则可能导致受电设备烧毁，带来较大的经济损失。

目前，市场上的POE交换机，大部分没有网线线序自动检测的功能。当网线的一端接受电设备的RJ45网口，另外一端接POE交换机时，POE交换机没能发现受电设备的类型、所需电压值、网线线序等，而直接供电。同时，POE设备各端口没有功率分配的功能。这是当前POE设备的不足之处。为了克服该缺点，本文论述了POE交换机自动检测网线线序方法和和功率管理的研究应用。

1 网口控制原理

1.1 方案设计

本设计中，我们主要用到了龙芯2H的SPI接口和I2C接口。在POE使用过程中，PD（受电设备）通过网线连接到POE交换机端口时，若其接线的线序不对，则上电时可能对PD造成损坏。因此，为了确保PD接到POE之前线序是正确的，我们需进行网线检测。具体实现方案，POE交换机上增加一个RJ45端口，用于网线检测。检测过程中，主要通过网线的8根线（4个线对）进行高、低电平的采样，然后经过逻辑计算出具体连接情况。此外，给POE各端口供电时，分配功率主要由龙芯2H通过I2C接口往PD69200(POE功率微控制器)里面的相关寄存器进行配置，然后再由PD69200控制PD69208，从而实现POE端口功率的管理。

1.2 检测原理

平常我们所用网线其8根线中，分成1和2、3和6、4和5、7和8共4个线对。检测采用的是轮询机制，即同一时刻，只将其中一对的控制开关（SW1、SW2、SW3、SW4）打开。每次打开控制开关时，就进行一轮A/D采样（8根线的高低电平采样）。再经过逻辑电平的计算，得出网线的实际连接情况。根据判断出来的结果，对PD（受电设备）和POE电源之间的网线进行线序调整，直到检测通过。从而确保网线连接的正确性，为下一步供电提供保障。

2 线序检测实现

2.1线序检测

CPU通过SPI总线发出指令通知MCU开始网线检测：

MCU开始进行线序，短路检测，首先控制SW1(高电平)，检测AD1~AD8电平，发现高于1V以上即为高电平，0.3V即为低电平；记录显示状态。表2-1为各线对的设计逻辑。接着，SW2、SW3、SW4切换开关需轮流打开，即同一时刻只打开一个。指示灯显示情况：正常线序亮绿灯，LED1_G_SW为高电平，LED1_R_SW为低电平。如图2-1为线序检测图。

图2-1 线对检测图

表2-1 检测逻辑表

2.2阻抗测试

将被测网线的一端接入主板，开始测试阻抗，控制SW1(高电平)，以1、2线对为例，检测AD1，AD2电压，将AD1和AD2的电压进行运算。计算公式：网线阻抗R=（AD1电压-AD2电压）×51.5/（AD2电压）。若网线计算出的阻抗R小等于30欧姆显示为正常；大于30欧姆为异常。同理控制SW2，SW3，SW4正常网线亮绿灯：LED1_G_SW为高电平，LED1_R_SW低电平。阻抗计算，是为了查看制造网线所用的材料，不同的介质材料，阻抗也会有差异。测试结束后，将数据传送给CPU龙芯2H。

3 功率管理和分配

3.1 功率优先级

龙芯2H和PD69200两者之间主要通过I2C接口通讯。PD69200和PD69208连接时增加了隔离电路。PD69200将POE系统状态、中断信息反馈给龙芯2H，同时龙芯2H可通过xDisable_Port管脚使能或断开某些端口。POE控制器与龙芯2H通过I2C进行通信，POE控制器PD69200作从机，I2C地址为：0x28。

交换机供电电源采用主电源和备份电源的冗余设计。主电源工作时，备份电源不供电；当主电源失效后交换机通过采用备份电源供电。主电源供电：POE可分配功率为1000W；备份电源供电：POE可分配功率为90W。自动识别各端口的需求功率。

最高优先级=0x01；高优先级=0x02；低优先级=0x03

处于同一优先级的所有端口，逻辑端口数低的端口优先级高。

3.2模式选择

功率管理支持：自动模式和节能模式，用户可自行配置切换，默认模式为节能模式。

PM1设置工作模式：

0x00 —节能模式，0x04 —自动模式。

PM2设置端口功率限制：

0x02 — 按照AF、AT、POH的最大关断电流。

PM3设置端口开启条件：

0x00 — 不限制。

4检测结果显示

4.1网线线序检测

通过JTAG调试接口（也可用SPI FLASH烧片方式），下载PMON后，主板正常运行。同时，系统读取NAND FLASH里面的主程序，并可通过UART串口查看和配置相关信息。网线检测时，若是FAIL的线对，要进行线序的调整，直到4个线对都PASS。最后才可将PD连接到POE端口进行供电。

测试结果显示界面：

CPU: LOONGSON2H

Frequency: 1GHZ

Version: 1.00

~# netport test

网口8根线电平检测：

短路 断路 接错 阻抗 PASS/FAIL

1-2线对 -- -- -- 5.30 PASS

3-6线对 -- -- -- 4.88 PASS

4-5线对 -- -- -- 5.22 PASS

7-8线对 -- -- -- 5.38 PASS

---------------------------------------------------------------------

4.2功率分配

~#show port 1

端口状态：PORT 1

• • 端口远程供电功能是否使能：是

  • 端口供电状态：检测到标准PD，正在供电

• • 端口PD功率等级：Class2

  • 端口优先级：高

  • 端口最大可用功率：20W

  • 端口当前功率: 17.8W

  • 端口平均功率: 16W

  • 端口峰值功率: 18W

  • 端口当前电流: 370mA

  • 端口当前电压: 48V

  • 端口当前温度: 29℃

整机PoE状态：

• • PoE电源总功率：300W

  • 当前消耗功率: 220W

  • 当前可用功率: 80W

  • 峰值功率: 260W

平均功率: 230W

5 结论

PSE向PD供电设备供电前，将连接到PD的网线其线序进行检测，每一个PD对应着PSE中的一个端口，只有线序检测正常后，才可以向对应的PD进行供电。从而避免POE受电端设备被烧毁的情况出现。同时，各个端口分配到的功率不一样，还有优先级之分，急需分配的端口，排在最高优先级，该方式可充分将PSE端口的功率合理分配，最大限度地利用能量。

参考文献

[1]徐丽萍，PoE设计方案分析[J]，通信电源技术，2010年02期

[2]王景忠，以太网供电PoE技术的研究与实现[J]，无线电工程，2012年11期

[3]高翔，基于龙芯CPU的多核全系统模拟器SimOS-Goodson[J]，软件学报，2007年04期

作者简介：刘绍焕（1986.10- ），男，汉族，广东广州人，中级工程师，本科，研究方向：物联网智能感知组网工程。