實現冗餘供電的乙太網交換機及實現冗餘供電的方法

2023-05-19 04:44:56

專利名稱：實現冗餘供電的乙太網交換機及實現冗餘供電的方法
技術領域：
本發明屬於網絡通信及工業控制領域，尤其涉及一種實現冗餘供電的乙太網交換機以及實現冗餘供電的方法。
背景技術：
乙太網的交換機和集線器在網絡數據傳送中都起著「樞紐」的作用。隨著集線器產品的發展，由傳統集線器到智能集線器，再發展到交換式集線器，集線器與交換機之間的界限已變得模糊。目前公知技術中的交換機或集線器通常只能實現乙太網通信信號的轉發，而不能對終端設備進行供電，因而它比較適合自動化辦公設備(如計算機)的連接；但對於如IP電話、網絡攝像機、特別是工業現場的變送器、執行機構等設備來說，就需要另外增加電源，這不僅給線纜鋪設和網絡維護帶來不便，而且增加了產品成本和維護費用，並影響了系統的安全性和可靠性，從而使交換機或集線器的應用受到了限制。
申請號為01131996.8中公開了一種實現網絡冗餘供電的乙太網集線器。上述乙太網集線器包括乙太網信號收發控制器、數據緩衝器、乙太網幀轉發控制器、地址表、集線器接口、過載保護電路和冗餘管理電路。過載保護電路的輸入端分別與外界電源連接，其輸出端接至冗餘管理電路的輸入端，冗餘管理電路的輸出端連接集線器接口的引腳4/5、7/8。接口的引腳1/2、3/6用來傳輸通信信號，另外兩對引腳4/5、7/8用來向終端設備提供工作電源，實現了在一根網絡雙絞線上同時傳輸數據和電力的效果。但在實際運用中，和集線器相連的終端設備千差萬別，會碰到集線器提供的電源不能適用終端設備，或者接口的4/5、7/8兩對引腳已定義成其它用途了，如100M工業乙太網交換機中連接的4/5、7/8組線已做它用了，所以上述發明至少不能自適應100M乙太網交換機，存在著很大的局限性。

發明內容
本發明目的在於提供一種應用範圍廣的實現冗餘供電的乙太網交換機及實現冗餘供電的方法。採用了該交換機和方法，能降低網絡布線的成本和提供工作電源的安全性和可靠性。
本發明公開了一種實現冗餘供電的乙太網交換機，它包括交換機接口和網絡通訊管理模塊，其中網絡管理模塊是由網絡變壓器、信號收發控制器、交換引擎和地址表組成，所述網絡變壓器連接所述交換機接口的引腳1/2、3/6，所述交換機還包括總線供電的電壓調製解調電路，所述網絡變壓器連接電壓調製解調電路，直流電源的輸出端選擇連接所述總線供電數據機或選擇連接所述交換機接口的引腳4/5、7/8。
所述總線供電的電壓調製解調電路包括設置在輸入埠的電壓調製電路，其用於根據實際工作電壓伏值的要求和網絡變壓器的不同特性從直流電源輸出的恆定電壓轉換成所需頻率與幅值的電壓信號；以及設置在輸出埠的電壓解調電路，其用於將網絡變壓器輸出的直流電壓信號轉換成終端設備所需的實際工作電壓。在輸入埠，網絡變壓器在其原級線圈的TX+、TX-的中間抽頭連接電壓調製電路輸出電壓的正極，RX+、RX-的中間抽頭連接電壓調製電路輸出電壓的負極；在輸出埠，所述網絡變壓器在其原級線圈的TX+、TX-的中間取出所需電壓的負極，在RX+、RX-的中間抽頭取出所需電壓的正極。所述交換機還包括過載保護電路和冗餘管理電路，所述過載保護電路的輸入端和直流電源連接，其輸出端和所述冗餘管理電路的輸入端連接，所述冗餘管理電路的輸出端可選擇連接所述總線供電的電壓調製電路或選擇連接所述交換機接口的引腳4/5、7/8。所述過載保護電路至少有兩路並連的過載保護支路，所述過載保護支路由三極體T1、T2和電阻R1、R2組成，三極體T1的發射極接直流電源，發射極和基極之間接有電阻R1，三極體T1的集電極與三極體T2的基極並接後，經電阻R2接線，三極體T2的發射極與三極體T1的基極連接，三極體T2的集電極為輸出端，連接所述冗餘管理電路的輸入端。所述冗餘管理電路至少有兩個並列的冗餘管理支路構成，所述冗餘管理支路由或門和二極體連接而成，或門的輸入端分別與過載保護支路的輸出端連接，或門的輸出端連接二極體的陽極，二極體的陰極為所述冗餘管理電路的輸出端。
一種實現冗餘供電的方法，它包括(1)判斷交換機接口的引腳4/5、7/8是否接收到直流電壓信號，如果是，則交換機接口的引腳4/5、7/8傳送冗餘工作電源至網絡終端，進行網絡供電，否則進行步驟(2)；(2)判斷網絡變壓器的線圈上是否接收到直流電壓信號，如果是，則進行步驟(3)，否則結束；(3)將接收到直流電壓信號調製至乙太網通訊信號之上傳遞到網絡終端；(4)將接收到的通信信號和電壓信號進行分離，並將直流電壓轉換成終端設備用的直流工作電源。
該方法進一步包括步驟(1)和(2)中所述的直流電壓信號先從直流電源輸出再經過過載保護電路和冗餘管理電路後輸出。步驟(3)進一步包括網絡變壓器原級線圈的TX+、TX-的中間抽頭連接調製電壓的正極，RX+、RX-的中間抽頭連接調製電壓的負極，通過網線的1/2、3/6引腳同時向網絡終端傳輸通信信號和冗餘直流電源。步驟(4)進一步包括和輸出埠連接的網絡變壓器的RX+、RX-的中間抽頭上提取所需電壓的正極，在TX+、TX-的中間提取所需電壓的負極。
與現有技術相比，本發明具有以下優點(1)網絡變壓器連接總線供電的電壓調製解調電路，冗餘管理電路的輸出端選擇連接電壓調製電路或選擇連接交換機接口的4/5、7/8引腳。當冗餘管理電路的輸出端連接在交換機接口的引腳4/5、7/8時，該供電方式為網絡供電方式，利用乙太網網線中未使用的4/5、7/8來承載供電，實現了一根雙絞線上即能傳輸乙太網通信信號又能傳送工作電流。當冗餘管理電路的輸出端連接電壓調製電路，將直流工作電壓信號和乙太網通信信號調製在傳輸乙太網通信信號的網線1/2、3/6上，經解調後給終端設備提供直流電源，實現了通過這兩組線在傳輸乙太網通信信號的同時，又向終端設備提供工作電源的效果。終端設備無需另外增加電源，也降低了網絡布線的複雜性，大大降低了設備的成本和維護的成本。更重要的是，本發明提供了兩種供電方式的可選性，保證了網絡供電方式到總線供電方式的無縫過渡，提供了一種10M/100M自適應工業乙太網交換機。
(2)兩種供電方式的供電前端都設有過載保護電路和冗餘管理電路，當工作電流過大或發生誤接線時，啟動過載保護功能使電源電壓不能到達輸出端，從而起至過載保護的作用。冗餘管理電路對具有相同輸出電壓值的兩路獨立電源進行邏輯或處理後，互為冗餘。其中任一路直流電源出現故障，對外供電均不受影響，起到了冗餘供電的作用。其過載保護電路和冗餘管理電路的設計提高了工作電源的安全性和可靠性。


圖1是本發明的實現冗餘供電的交換機結構圖。
圖2為網絡通訊管理模塊的結構框圖。
圖3為本發明的交換機RJ45接口引腳示意圖。
圖4為本發明總線供電方式的結構示意圖。
圖5A為本發明的總線供電方式的直流調製電路示意圖。
圖5B為本發明的總線供電方式的直流解調電路示意圖。
圖6為本發明的過載保護電路與冗餘管理電路框圖。
圖7為本發明所採用的過載保護與冗餘管理電路原理圖。
圖8為本發明的埠供電方式選擇示意圖。
圖9為本發明實現冗餘供電的流程圖。
具體實施例方式
請參閱圖1、圖2，該交換機包括網絡通訊管理模塊1、交換機接口2、過載保護電路和冗餘管理電路3。網絡通訊管理模塊1包括網絡變壓器11、信號收發控制器12、交換引擎13和地址表14。本發明的交換機接口2採用RJ45接口。網絡變壓器11原邊和RJ45接口2的引腳1/2、3/6連接，用於接收來自RJ45接口2的曼徹斯特編碼信號(Manchester Code)，副邊連接信號收發控制器12，收發控制器12和交換引擎13連接，交換引擎13和地址表14連接。交換機從一個埠收到乙太網幀，先經過乙太網網絡變壓器11送到乙太網信號收發控制器12(該信號收發控制器12可採用BCM5328集成晶片)，由乙太網搜尋引擎13根據報文幀內包含的目的地址查詢地址表14，得到目的地址所在埠，進行數據交換，並將該信息幀從目的埠發送出去。RJ45接口的1/2、3/6作為信號線接口用，用作通信信號傳遞。本發明的交換機在以上的結構的基礎上進行改進，使一根雙絞線上即能傳輸乙太網信號又能傳送工作電流。並且該發明還提供了兩種供電方式網絡供電方式和總線供電方式。
請參閱圖3，RJ45接口2的引腳1/2、3/6兩組線用作信號傳遞，在引腳4/5和引腳7/8可以連接兩組直流電源，這是本發明的網絡供電方式。利用了乙太網網線中未使用的4/5、7/8線對來承載供電，有效地利用了RJ45剩餘引腳，實現了一根雙絞線上即傳輸乙太網信號又能傳輸工作電流。
請參閱圖4、圖5，詳細介紹本發明的總線供電方式的結構原理圖。在網絡變壓器11上連接總線供電的電壓調製解調電路。直流電源連接電壓調製電路。當選擇總線供電方式，將直流電源連接到電壓調製電路上，在輸入埠上將直流電流信號調製到通信信號上，而輸出埠則進行一個解調步驟，實現通過一根雙絞線的1/2、3/6兩組線上既能傳輸通信信號又能傳送直流電流。
下面就一個實施例進行說明。總線供電的電壓數據機電路由電壓調製電路15和電壓解調電路16組成。電壓調製電路15和輸入埠連接，而電壓解調電路16和目標埠連接。電壓調製電路根據實際工作電壓伏值的要求和網絡變壓器的不同特性將從直流電源輸出的恆定電壓轉換成所需頻率與幅值的電壓信號，電壓解調電路將網絡變壓器輸出的直流電壓信號轉換成終端設備所需的實際工作電壓。在輸入埠，網絡變壓器11原級線圈的TX+、TX-的中間抽頭連接調製電壓的正極(如+24V)，RX+、RX-的中間抽頭連接調製電壓的負極(如GND)，將直流電流信號直接調製至通信信號之上。通過網線的1/2、3/6引腳同時向網絡終端傳輸數據信號和冗餘直流電流，在輸出埠的網絡變壓器的RX+、RX-的中間抽頭抽取直流電壓的正極(如+24V)，TX+、TX-的中間抽頭抽取直流電壓的負極(GND)，再經電壓解調電路進行解調並轉換成設備用的直流工作電源。這種總線供電方式利用網絡變壓器的隔離功能把直流信號與通訊信號分開，從而不會影響交換機的通信功能。傳統網絡終端器是通過兩個150歐姆的電阻將TX、RX的中間抽頭連接起來，再通過電容連接起來。而本發明的直流調製電路15、直流解調電路16採用了中間抽頭分別通過電阻、電容後接地，既保留了網絡終端器的功能，同時保護了通訊質量也實現了總線供電的目的。
請參閱圖1，上述的網絡供電方式和總線供電方式的供電電路的前端都包括設置在交換機內部的過載保護電路和冗餘管理電路3，通過過載保護電路使得在工作電流過大或發生誤接線的情況下，能自動切斷電源，交換機本身及終端設備不會造成損壞，冗餘保護電路由至少兩具並列的冗餘管理支路構成，實現了電源調理和冗餘功能，從而提高了電源輸出的可靠性。
請參閱圖6和圖7，該過載保護和冗餘管理電路3至少包括兩路並連的過載保護支路21和22、至少有兩個並列的冗餘管理支路23和24構成。其中過載保護支路21由三極體T1、T2和電阻R1、R2組成，三極體T1的發射極接在直流電源上，發射極和基極之間接有電阻R1、三極體T1的集電極和三極體T2的基極並接後，經電阻R2接線，三極體T2的發射極與三極體T1的基極連接，三極體T2的集電極為輸出端，它與冗餘管理2電路的輸入端連接，在工作電流處於正常範圍時，三極體T1截止，三極體T2導通，輸出正常電壓；當工作電流過大時，三極體T1導通，三極體T2截止起到過載保護作用。過載保護支路22的電路結構與工作原理與過載保護支路21相同。而冗餘管理支路23由或門Y1和二極體D1連接而成，或門Y1的輸入端分別與過載保護支路21、22的輸出端連接，或門的輸出端接二極體D1的陰極，二極體D1的陰極接輸出接口，二極體D1起到防止錯誤接線的作用。冗餘管理支路24和冗餘管理支路23的電路組成部件和原理相同，不再贅述。由於過載保護電路的兩路輸出分別接於兩個冗佘管理支路23和24的或門的輸入端，輸出兩路電源電壓，其中任一路輸入電源出現故障，輸出仍為兩路電源，從而起到冗餘供電的作用。
圖8為本發明的埠供電方式的選擇示意圖。本發明提供了三種供電方式的選擇，一種是網絡供電方式，一種是總線供電方式，還有一種為總線不供電的方式。當開關撥至1不對外供電時，冗餘管理電路的輸出端連接在一個端子上，則電源難以通過交換機接口2輸送至終端設備上，所以該方式不供電。當開關撥至2時採用總線供電方式，冗餘管理電路的輸出端和總線供電數據機連接，直流工作電壓信號和乙太網通信信號調製在傳輸乙太網通信信號的網線1/2、3/6上，經解調後給終端設備提供直流電源，當開關撥至3採用網絡供電方式時，冗餘管理電路的輸出端連接在交換機接口的引腳4/5、7/8上，使得一根雙絞線上既傳送通信信號又傳送電源至網絡終端。
根據以上的交換機的結構，現說明本發明完成冗餘供電的方法。
S110判斷供電的方式是否是網絡供電方式，即交換機接口的引腳4/5、7/8是否接收到直流電壓信號，如果是則通過接口的4/5、7/8傳送電源至終端設備，完成網絡供電，否則進行步驟S120；S120判斷網絡變壓器的線圈上是否接收到直流電壓信號，如果是，則進行步驟S130，否則結束；S130將接收到直流電壓信號調製至乙太網通訊信號之上傳遞到網絡終端。如採用在網絡變壓器原線圈的TX+、TX-的中間抽頭連接調製電壓的正極，RX+、RX-的中間抽頭上連接調製電壓的負極，通過網線的1/2、3/6引腳同時向網絡終端傳輸冗餘直流電源。
S140將接收到的通信信號和電壓信號進行分離，將電壓轉換成終端設備用的直流工作電源。和輸出埠連接的網絡變壓器的RX+、RX-的中間抽頭上提取所需工作電壓的正極，在TX+、TX-的中間提取所需工作電壓的負極。
為了提高電源輸出的可靠性，步驟要S110和S120中的直流電壓信號可以先從直流電源輸出再經過過載保護電路和冗餘管理電路後輸出。並且為了提高電源輸入的可靠性，可將直流電源先通過外部的過載保護電路和冗餘管理電路4後再輸入到交換機。
以上公開的僅為本發明的一個實施例，但並非局限於此，本領域的技術人員能思之的變化如將其應用在集線器上等都應落在本發明的保護範圍，本發明的保護範圍以權利要求為主。
權利要求
1.一種實現冗餘供電的乙太網交換機，它包括交換機接口和網絡通訊管理模塊，其中網絡管理模塊是由網絡變壓器、信號收發控制器、交換引擎和地址表組成，所述網絡變壓器連接所述交換機接口的引腳1/2、3/6，其特徵在於，所述交換機還包括總線供電的電壓調製解調電路，所述網絡變壓器連接電壓調製解調電路，直流電源的輸出端選擇連接所述總線供電數據機或選擇連接所述交換機接口的引腳4/5、7/8。
2.如權利要求1所述的實現冗餘供電的乙太網交換機，其特徵在於，所述總線供電的電壓調製解調電路包括設置在輸入埠的電壓調製電路，其用於根據實際工作電壓伏值的要求和網絡變壓器的不同特性從直流電源輸出的恆定電壓轉換成所需頻率與幅值的電壓信號；以及設置在輸出埠的電壓解調電路，其用於將網絡變壓器輸出的直流電壓信號轉換成終端設備所需的實際工作電壓。
3.如權利要求2所述的實現冗餘供電的乙太網交換機，其特徵在於，在輸入埠，網絡變壓器在其原級線圈的TX+、TX-的中間抽頭連接電壓調製電路輸出電壓的正極，RX+、RX-的中間抽頭連接電壓調製電路輸出電壓的負極；在輸出埠，所述網絡變壓器在其原級線圈的TX+、TX-的中間取出所需電壓的負極，在RX+、RX-的中間抽頭取出所需電壓的正極。
4.如權利要求1所述的實現冗餘供電的乙太網交換機，其特徵在於，所述交換機還包括過載保護電路和冗餘管理電路，所述過載保護電路的輸入端和直流電源連接，其輸出端和所述冗餘管理電路的輸入端連接，所述冗餘管理電路的輸出端可選擇連接所述總線供電的電壓調製電路或選擇連接所述交換機接口的引腳4/5、7/8。
5.如權利要求4所述的實現冗餘供電的乙太網交換機，其特徵在於，所述過載保護電路至少有兩路並連的過載保護支路，所述過載保護支路由三極體T1、T2和電阻R1、R2組成，三極體T1的發射極接直流電源，發射極和基極之間接有電阻R1，三極體T1的集電極與三極體T2的基極並接後，經電阻R2接線，三極體T2的發射極與三極體T1的基極連接，三極體T2的集電極為輸出端，連接所述冗餘管理電路的輸入端。
6.如權利要求4所述的實現冗餘供電的乙太網交換機，其特徵在於，所述冗餘管理電路至少有兩個並列的冗餘管理支路構成，所述冗餘管理支路由或門和二極體連接而成，或門的輸入端分別與過載保護支路的輸出端連接，或門的輸出端連接二極體的陽極，二極體的陰極為所述冗餘管理電路的輸出端。
7.一種實現冗餘供電的方法，其特徵在於，它包括(1)判斷交換機接口的引腳4/5、7/8是否接收到直流電壓信號，如果是，則交換機接口的引腳4/5、7/8傳送冗餘工作電源至網絡終端，進行網絡供電，否則進行步驟(2)；(2)判斷網絡變壓器的線圈上是否接收到直流電壓信號，如果是，則進行步驟(3)，否則結束；(3)將接收到直流電壓信號調製至乙太網通訊信號之上傳遞到網絡終端；(4)將接收到的通信信號和電壓信號進行分離，並將直流電壓轉換成終端設備用的直流工作電源。
8.如權利要求7所述的實現冗餘供電方法，其特徵在於，步驟(1)和(2)中所述的直流電壓信號先從直流電源輸出再經過過載保護電路和冗餘管理電路後輸出。
9.如權利要求8所述的實現冗餘供電的方法，其特徵在於，步驟(3)進一步包括網絡變壓器原級線圈的TX+、TX-的中間抽頭連接調製電壓的正極，RX+、RX-的中間抽頭連接調製電壓的負極，通過網線的1/2、3/6引腳同時向網絡終端傳輸通信信號和冗餘直流電源。
10.如權利要求9所述的實現冗餘供電的方法，其特徵在於，步驟(4)進一步包括和輸出埠連接的網絡變壓器的RX+、RX-的中間抽頭上提取所需電壓的正極，在TX+、TX-的中間提取所需電壓的負極。
全文摘要
本發明提供了一種實現冗餘供電的乙太網交換機及實現冗餘供電的方法。特別提供了一種10M/ 100M自適應工業乙太網交換機，它包括交換機接口和網絡通訊管理模塊，其中網絡管理模塊是由網絡變壓器、信號收發控制器、交換引擎和地址表組成，網絡變壓器連接交換機接口的引腳1/2、3/6，交換機還包括總線供電的電壓調製解調電路，網絡變壓器連接電壓調製解調電路，直流電源的輸出端選擇連接電壓調製解調電路或選擇連接交換機接口的引腳4/5、7/8。本發明實現了一根雙絞線上既能傳輸乙太網通信信號又能傳送工作電流。本發明還增加了過載保護電路和冗餘管理電路，提高了交換機的安全性。更重要的是，本發明提供了兩種供電方式的可選性，保證了網絡供電方式到總線供電方式的無縫過渡。
文檔編號H04B1/22GK1604546SQ0313475
公開日2005年4月6日 申請日期2003年9月29日 優先權日2003年9月29日
發明者譚平, 馮冬芹, 章曉龍, 柏立悅, 汪昆, 趙聯祥 申請人:浙江中控技術股份有限公司