以太网供电 (PoE) 摆脱电缆的束缚

April 24, 2017 Eran Strod, Contributing Editor, Embedded Computing Design

就劳动力、材料和维护而言,电缆安装和电气接入是新建工程最花钱的大头。 根据建筑规范,任何固定布线或电气设备的安装或更改都需要有许可证,并由持照电工完成。 对于试图通过灵活重新配置办公空间和工厂来提高效率的组织来说,完成这项任务耗资巨大。 在户外远程位置确保电力运行的成本也比较昂贵。 这些挑战导致现在普遍存在与家庭和工业环境中的大量支持 IP 的设备难以得到充分利用。

以太网供电 (PoE) 在遵守 IEEE 802.3af 和 802.3at 规范的基础上,通过在标准 CAT-5/5e 双绞线以太网电缆上提供电能和数据连接解决了这些难题。 只要有数据插口,PoE 就能提供电源;这种替代供电方式使得 PoE 既能提供节省成本,又能简化设计。 在无法接通电源的地方安装边界传感器等远程设备时,这种替代方式尤其简便。

根据所使用的模式,PoE 可为网络接入/边缘交换机和路由器、VoIP 电话、IP 照相机及其他传感器提供高达 15 瓦或 30 瓦的电源。 WiFi 和蓝牙接入点和 RFID 读卡器越来越广泛地使用 PoE,好让它们能在任何需要的位置被定位到,而不必担心有无交流电源供应。 PoE 标准支持 10Base-T、100Base-T、100Base-TX 和 1000Base-T(千兆以太网)接口,其电缆布设范围长达 100 米。

PoE 的优点

虽然 WiFi 已有很多应用,但是有线连接仍然使用较少的电能,是恶劣环境中的首选。 USB 是 PoE 的另一个替代方案,但是它所提供的电能在 5 瓦以下(USB 3.0 可以提供 5 V 时 900 mA 的电源),不能为许多高性能设备提供足够的电能。

在嵌入式应用中,PoE 具有许多优点。 可以使用现有的网络布线,省去为每个设备提供交流电源或专用电源连接器的成本。 PoE 电缆是一种低电压电路,不需持照电工进行安装。 可将 PoE 电缆安全地安装在通风空间中,大大降低了与现有结构连接的成本。

虽然 PoE 设计遵循 IEEE 标准,但普通印刷电路板设计人员往往不知道如何解决 PoE 实施的信号完整性挑战,使得 PoE 实施在任何电缆长度和各种环境条件下都能正常工作。 较简单的方法是采用经过验证的具有 PoE 功能的现成单板计算机。

PoE 单板计算机

举例来说,LEX Computech 3I390NX 系列 3.5 英寸 主板可在 15 瓦或 30 瓦模式下,为它的五个以太网端口中的四个端口提供 PoE。 (图 1)。 它基于最新的英特尔® 奔腾® 处理器 N4200/N3350/E3950(前身为 Apollo Lake)处理器家族。

图 1:LEX Computech 3I390NX 系列主板提供四个 PoE 端口。 (来源:LEX Computech

3I390NX 具有 SATA、图形显示、音频、串行端口、USB、DIO、监视器计时器和 PCIe 扩展功能,非常适合于需要能够控制电源设备树的高性能单板计算机的应用,例如监控、联网、自动化、军事和工业应用(图 2)。

图 2:LEX Computech 3I390NX 基于英特尔® 奔腾® 处理器 N4200/N3350/E3950(前身为 Apollo Lake)处理器家族和英特尔 i1211 以太网 MAC/PHY。 (来源:LEX Computech)

主板集成局域网

主板的五个以太网端口由英特尔 i211 AT GbE LAN 芯片提供。 英特尔 i1211 AT 是一款基于 PCIe 的集成 GbE MAC 和 PHY,专为主板集成局域网 (LOM) 设计量身定做。

英特尔 i1211 可为 TCP 卸载、高达 256 KB 的数据包和帧的端到端 CRC 校验提供硬件辅助,有助于防止 CPU 超载。 如果缺乏这种支持,这些处理器密集型操作可能会占用很大一部分 CPU 内核的处理带宽,留给最终应用程序的带宽就会变得很少。 而 3I390NX SBC 有五个以太网端口,这就显得更为重要了。

值得注意的是,控制器支持节能以太网(energy efficient Ethernet (EEE),IEEE 802.3AZ),这是 1000Base-T 和 100Base-TX 实施的低功耗空闲状态。 这种低功耗空闲可以降低主板五个以太网端口的运行功耗,这对于管理紧缩的功率预算十分有益。

低功耗处理器

在 TDP 仅为 6 瓦,最大 CPU 结温为 105°C 的情况下,英特尔® 奔腾® 处理器 N4200 即便在户外应用中也能以无风扇的配置方式运行。 该功能在 LEX Computech TASK 系列有所体现,可将 SBC 功能集成到工作温度为 -20°C 至 +70°C 的紧凑型机箱中(77×210×125 毫米)。

图 3:LEX Computech TASK 系列为 3I390NX 单算机提供现成的机箱。 (来源:LEX Computech)

对于机器视觉或视频监控等应用,处理器的视频功能可以派上用场。 在 3I390NX 中,芯片可以通过 HDMI 为 4k 显示器供电。 Apollo Lake 处理器支持英特尔® 核芯显卡 505、英特尔第 9 代图形和媒体编码/解码引擎。 此外,它还支持 DirectX、OpenGL、OGL ES 和 OpenCL。 这样一来,3I390NX 能够执行 3-D 渲染、媒体合成和视频编码。

结语

以太网供电不仅可以降低在设施中部署设备的材料和安装成本。 还可以在无需接入交流电源的情况下安装支持 PoE 的设备。 3I390NX 等单板计算机为集成商呈现了一个现成的替代解决方案,为使用 PoE 的嵌入式应用提供理想的主板功能。

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