一对二工业以太网双线信电同传结构

1.本实用新型涉及业互联网领域，具体地，涉及一对二工业以太网双线信电同传结构。


背景技术：

2.以太网供电(poe，power over ethernet)技术是指一种通过常用的语音、数据和视频的多对双绞线提供电源的技术。2016年ieee推出其数据线供电(podl)标准—802.3bu-2016，其用途在于汽车、工业自动化、航空和铁路运输，以及其他采用100base-t1、1000base-t1或任何单对双绞线数据或非数据实体协议的情形，而且还有可能用于需要通过升级而适应物联网(iot)发展的各种行业当中的其他情形。2019年ieee又定义了一种新型以太网标准—ieee 802.3cg-2019，用于10mb/s的操作以及通过一对平衡导体进行功率传输。由于单对电缆现在可同时支持数据和电源，因此采用此标准可节省大量成本，并更易于在楼宇自动化应用中进行安装。
3.在ieee 802.3cg中，规定了数据线供电(podl)的一对一架构，即一组供电装置(pse)对应一组用电设备(pd)，但是在实际应用会出现一对多、多对多或多对一等架构需求，为此需要更新设计原有的一对一podl架构，需要解决信电汇分(汇合与分离)问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种一对二工业以太网双线信电同传结构。
5.根据本实用新型的一个方面，提供一种一对二工业以太网双线信电同传结构，包括：
6.供电装置与端口物理层单元，所述供电装置与端口物理层单元位于供电侧；
7.至少两个用电设备与端口物理层单元，所述用电设备与端口物理层单元位于用电侧；所有所述用电设备与端口物理层单元之间相互独立；
8.数据链路，每个用电设备与端口物理层单元通过所述数据链路与所述供电装置与端口物理层单元连接；所述供电装置与端口物理层单元中端口物理层对所述每个用电设备与端口物理层单元的端口物理层单独供电和数据通信。
9.优选地，所述供电装置与端口物理层单元包括：
10.供电装置，所述供电装置通过通数据阻直流的电容、通直流阻数据的电感接入总线；
11.端口物理层，所述端口物理层通过过压抑制二极管接入总线。
12.优选地，所述供电装置与端口物理层单元包括：
13.总线，所述总线包括总线p1和总线n1；
14.第一电感，所述第一电感与所述总线p1连接；
15.串联的第一二极管和第二二极管，所述串联的第一二极管和第二二极管并联在所
述第一电感的两端；
16.第二电感，所述第二电感与所述总线n1连接；
17.串联的第三二极管和第四二极管，所述串联的第三二极管和第四二极管并联在所述第二电感的两端；
18.供电装置，所述供电装置的pi 与所述第一电感一端、第一二极管一端连接；所述供电装置的pi-与所述第二电感一端、第三二极管一端连接；
19.第一电容，所述第一电容与所述总线p1连接；
20.第二电容，所述第二电容与所述总线n1连接；
21.端口物理层，所述端口物理层的bi_da 与所述第一电容一端相连，所述端口物理层的bi_da-与第二电容一端相连。
22.优选地，每组用电设备与端口物理层单元的结构相同，其均包括：
23.用电设备，所述用电设备通过通数据阻直流的电容、通直流阻数据的电感接入总线；
24.端口物理层，所述端口物理层通过过压抑制二极管接入总线。
25.优选地，所述用电设备与端口物理层单元，包括：
26.总线，所述总线包括总线p2和总线n2；
27.第三电感，所述第三电感与所述总线p2连接；
28.串联的第五二极管和第六二极管，所述串联的第五二极管和第六二极管并联在所述第三电感的两端；
29.第四电感，所述第四电感与所述总线n2连接；
30.串联的第七二极管和第八二极管，所述串联的第七二极管和第八二极管并联在所述第四电感的两端；
31.用电设备，所述用电设备的pi 与所述第三电感一端、第六二极管一端连接；所述用电设备的pi-与所述第四电感一端、第八二极管一端连接；
32.第三电容，所述第三电容与所述总线p2连接；
33.第四电容，所述第四电容与所述总线n2连接；
34.端口物理层，所述端口物理层的bi_da 与所述第三电容一端相连，所述端口物理层的bi_da-与第四电容一端相连。
35.优选地，所述数据链路为双线链路，数量至少为一条；每条数据链路中的第一线的一端与所述供电装置与端口物理层单元连接，另一端与所述用电设备与端口物理层单元连接，第二线的一端与所述供电装置与端口物理层单元连接，另一端与所述用电设备与端口物理层单元连接。
36.优选地，所述数据链路的数量为一条或者与所述用电设备与端口物理层单元的个数相等。
37.优选地，当所述数据链路的数量为一条时，所有用电设备与端口物理层单元之间的总线是相同的；采用同一条所述数据链路同缆供电和传输数据；用电设备与端口物理层单元中的端口物理层通信不需要通过供电装置与端口物理层单元的供电装置中转。
38.优选地，当所述数据链路的数量所述用电设备与端口物理层单元的个数相等时，每个用电设备与端口物理层单元通过对应的一条数据链路与所述供电装置与端口物理层
单元连接；所述用电设备与端口物理层单元之间的总线是分离的；用电设备与端口物理层单元中的端口物理层通信需要通过供电装置与端口物理层单元的供电装置中转。
39.优选地，所述供电装置与端口物理层单元中的端口物理层向用电设备与端口物理层单元中的端口物理层发送信息数据，同时接收来自用电设备与端口物理层单元中的端口物理层的信息数据。
40.与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
41.(1)本实用新型实施例中的一对二工业以太网双线信电同传结构，能够实现供电装置pse与用电设备pd电力和信息的双线传输；支持扩展为一对多智能工厂双线以太网信电同传，符合10base-t1l国际标准。
42.(2)本实用新型实施例中的一对二工业以太网双线信电同传结构，phy1同时向phy2和phy3发送信息数据，phy1同时接收来自phy2和phy3侧工厂边缘设备如传感器和执行器的信息数据。
43.(3)本实用新型实施例中的一对二工业以太网双线信电同传结构，在pse侧与pd侧相关设备可以有效实现信息数据和电力的汇合和分离，具有电感电压钳位支路。
44.(4)本实用新型实施例中的一对二工业以太网双线信电同传结构，phy2和phy3侧独立工作，相互不产生影响，pd侧设备的数量可以扩充。
附图说明
45.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
46.图1为本实用新型一实施例的第一种一对二工业以太网双线信电同传结构原理图；
47.图2为本实用新型一实施例的第二种一对二工业以太网双线信电同传结构原理图。
具体实施方式
48.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
49.本实用新型提供一个实施例，一种一对二工业以太网双线信电同传结构，包括：供电装置与端口物理层单元、用电设备与端口物理层单元和数据链路；供电装置与端口物理层单元位于供电侧；至少两个用电设备与端口物理层单元位于用电侧；用电设备与端口物理层单元间相互独立；供电装置与端口物理层单元中端口物理层对每个用电设备与端口物理层单元的端口物理层单独供电和数据通信。
50.在本实用新型的一个优选实施例中，供电装置与端口物理层单元由一组供电设备pse和端口物理层phy组成。pse通过通数据阻直流的电容、通直流阻数据的电感接入总线；phy通过过压抑制二极管接入总线。
51.其中，端口物理层phy，是一个对osi模型物理层的共同简称。而以太网是一个操作
osi模型物理层的设备。一个以太网phy是一个芯片，可以发送和接收以太网的数据帧(frame)。
52.较佳实施例中，参见图1和图2的结构示意图，pse侧(供电侧)包括一只pse1(u1)、一只phy1(u2)、两只电感(l1、l2)、两只电容(c1、c2)、四只二极管(d1～d4)和一对总线(p1、n1)；
53.pse1(u1)的pi 与第一电感l1一端、第一二极管d1阴极相连，第一二极管d1阳极与第二二极管d2阴极相连，第二二极管d2阳极与第一电感l1另一端相连后与总线p1相连；pse1(u1)的pi-与第二电感l2一端、第三二极管d3阳极相连，第三二极管d3阴极与第四二极管d4阳极相连，第二二极管d2阴极与第二电感l2另一端相连后与总线n1相连；phy1(u2)的bi_da 与第一电容c1一端相连，第一电容c1另一端与总线p1相连；phy1(u2)的bi_da-与第二电容c2一端相连，第二电容c2另一端与总线n1相连。
54.在本实用新型的一个优选实施例中，每组用电设备与端口物理层单元的结构相同，其均由一组受电设备pd和端口物理层phy组成。pd通过通数据阻直流的电容、通直流阻数据的电感接入总线；phy通过过压抑制二极管接入总线。
55.较佳实施例中，参见图1和图2，pd1侧(用电侧)包括一组pd1(u3)和phy2(u4)、两只电感(l3、l4)、两只电容(c3、c4)、四只二极管(d5～d8)和一对总线(p2、n2)；
56.pd1(u3)的pi 与第三电感l3一端、第六二极管d6阳极相连，第六二极管d6阴极与第五二极管d5阳极相连，第五二极管d5阴极与第三电感l3另一端相连后与总线p2相连；pd1(u3)的pi-与第四电感l4一端、第八二极管d8阴极相连，第八二极管d8阳极与第七二极管d7阴极相连，第七二极管d7阳极与第四电感l4另一端相连后与总线n2相连；phy2(u4)的bi_da 与第三电容c3一端相连，第三电容c3另一端与总线p2相连；phy2(u4)的bi_da-与第四电容c4一端相连，第四电容c4另一端与总线n2相连。
57.较佳实施例中，参见图1和图2，pd2侧(用电侧)包括一组pd2(u5)和phy3(u6)、两只电感(l5、l6)、两只电容(c5、c6)、四只二极管(d9～d12)和一对总线(p3、n3)；
58.pd2(u5)的pi 与第五电感l5一端、第十二极管d10阳极相连，第十二极管d10阴极与第九二极管d9阳极相连，第九二极管d9阴极与第五电感l5另一端相连后与总线p3相连；pd2(u5)的pi-与第六电感l6一端、第12二极管d12阴极相连，第12二极管d12阳极与第11二极管d11阴极相连，第11二极管d12阳极与第六电感l6另一端相连后与总线n3相连；phy3(u6)的bi_da 与第五电容c5一端相连，第五电容c5另一端与总线p3相连；phy3(u6)的bi_da-与第六电容c6一端相连，第六电容c6另一端与总线n3相连。
59.在本实用新型的一个优选实施例中，数据链路包括至少一条双线链路，每条双线链路中的第一线的一端与供电装置与端口物理层单元连接，另一端与用电设备与端口物理层单元连接，第二线的一端与供电装置与端口物理层单元连接，另一端与用电设备与端口物理层单元连接。双线链路的数量为一条或者与用电设备与端口物理层单元的个数相等。
60.较佳实施例中，参见图1，当数据链路的数量用电设备与端口物理层单元的个数相等时，每个用电设备与端口物理层单元通过一条对应的数据链路与供电装置与端口物理层单元连接；用电设备与端口物理层单元之间的总线是分离的；用电设备与端口物理层单元中的phy通信需要通过供电装置与端口物理层单元的pse中转。
61.具体的，参见图1，两个用电设备与端口物理层单元(pd1与phy2单元、pd2与phy3单
元)对应两条数据链路(ls1、ls2)。
62.第一数据链路(ls1)的双线wr1和wr2，wr1一端与总线p1相连，wr1另一端与总线p2相连，wr2一端与总线n1相连，wr2另一端与总线n2相连；
63.第二数据链路(ls2)的双线wr3和wr4，wr3一端与总线p1相连，wr3另一端与总线p3相连，wr4一端与总线n1相连，wr4另一端与总线n3相连。
64.其中，pd1和phy2单元对应总线n2和p2；pd2和phy3单元对应总线n3和p3。
65.在本实施例中，各主要部分的功能如下：
66.pse1(u1)的功能：产生额定 48v直流电压，pi 表示正极，pi-表示负极，经由电感l1与l2传输到母线p1n1，p1n1总线直流电压即为 48v，p1表示正极，n1表示负极，电感l1与l2通直流阻交流，能够阻止高频信号数据传输至pse1内部；d1与d2与l1并联，d1与d2导通压降大于1.4v，在pse1断电时吸收l1的储能，防止产生过压，危害电路安全，同时可以有效防止数据信号部分进入pse1内部；
67.phy1(u2)的功能：负责将来自工厂控制层、现场层的差分信号数据通过电容c1与c2传输到母线p1n1，或从接收来自pd1工厂边缘信息数据，电容c1与c2通交流阻直流，能够阻止直流电压传输至phy1内部；
68.数据链路ls1的功能：传输直流电压和10mbps的差分信号数据，由于线路直流电阻的影响，在pd1带载情况下pd1的得电电压低于 48v；
69.数据链路ls2的功能：传输直流电压和10mbps的差分信号数据，由于线路直流电阻的影响，在pd1带载情况下pd2的得电电压低于 48v；
70.pd1(u3)的功能：输入低于 48v直流电压，输出需要的直流电压，如 5v、 3.3v、 1.8v或 1.2v等，可以为传感器和执行器供电，和为phy2供电。电感l3与l4的作用同电感l1与l2，二极管d5～d8的作用同二极管d1～d4；
71.phy2(u4)的功能：通过电容c3与c4接收来自pse1的差分信号数据，或向phy1发送来自工厂边缘信息数据，电容c3与c4的作用同电容c1与c2；
72.pd2(u5)的功能：输入低于 48v直流电压，输出需要的直流电压，如 5v、 3.3v、 1.8v或 1.2v等，可以为传感器和执行器供电，和为phy3供电。电感l5与l6的作用同电感l1与l2，二极管d9～d12的作用同二极管d1～d4；
73.phy3(u6)的功能：通过电容c5与c6接收来自pse1的差分信号数据，或向phy1发送来自工厂边缘信息数据，电容c5与c6的作用同电容c1与c2
74.较佳实施例中，参见图2，当数据链路的数量为一条时，所有用电设备与端口物理层单元之间的总线是相同的；采用同一条数据链路同缆供电和传输数据；用电设备与端口物理层单元中的端口物理层phy通信不需要通过供电装置与端口物理层单元的供电装置pse中转。
75.具体的，参见图2，两个用电设备与端口物理层单元(pd1与phy2单元、pd2与phy3单元)对应一条数据链路(ls1)。第一数据链路(ls1)的双线wr1和wr2，wr1一端与总线p1相连，wr1另一端与总线p2相连，wr2一端与总线n1相连，wr2另一端与总线n2相连；两个用电设备与端口物理层单元共同一条总线n2和p2。
76.在本实用新型的一个优选实施例中，如图1所示，给出了第一种一对二工业以太网双线信电同传结构，其工作原理如下：
77.pse1与phy1构成控制层或现场层的供电设备和数据收发设备，pd1与phy2、pd2与pyh3构成工厂边缘的变电设备、用电设备和数据收发设备，pd1与phy2、pd2与pyh3的供电电源系统相同，但是二者的收发数据不同，由于二者的总线是分离的，因此不存在供电与数据之间的耦合问题，可以独立地工作，正是因为采用了这种架构方式，因此pd侧可以任意扩充。本实施例中，还恰如其分地采用了电感隔离高频数据导通直流电源、电容隔离直流电源导通高频数据的原理。pd侧phy2与phy3的通信需要通过pse1中转。
78.在本实施例中，适合第一种一对二工业以太网双线信电同传结构一组优选参数为：
79.符合标准：ieee802.3cg 2019，即10base-t1l，传输速率10mbps；
80.双线链路p1与n1、p1与n2、p3与n3、ls1～ls2：awg14～18，屏蔽或非屏蔽，500～1200m；
81.物理层phy1～3：输出数据差分电压的峰峰值为1.0v或2.4v；
82.二极管d1～d12：mse1pb-m3/89a,1a,100v；
83.电感l1～l6：470μh；
84.交流电容c1～c6：0.22μf，100v；
85.在本实用新型的一个优选实施例中，如图2所示，给出了第二种一对二工业以太网双线信电同传结构，其工作原理如下：
86.pse1与phy1构成控制层或现场层的供电设备和数据收发设备，pd1与phy2、pd2与pyh3构成工厂边缘的变电设备、用电设备和数据收发设备，pd1与phy2、pd2与pyh3的供电电源系统相同，采用单对双绞线同缆供电和传输数据，采用了电感隔离高频数据导通直流电源、电容隔离直流电源导通高频数据的原理pd侧phy2与phy3的通信不需要通过pse1中转。
87.在本实施例中，适合第二种一对二工业以太网双线信电同传结构一组优选参数为：
88.符合标准：ieee802.3cg 2019，即10base-t1l，屏蔽或非屏蔽，传输速率10mbps；
89.双线链路p1与n1、p1与n2、ls1：awg14～18，500～1200m；
90.物理层phy1～3：输出数据差分电压的峰峰值为1.0v或2.4v；
91.二极管d1～d12：mse1pb-m3/89a,1a,100v；
92.电感l1～l6：470μh；
93.交流电容c1～c6：0.22μf，100v；
94.本实用新型可以应用为信电同传的智能工厂双线以太网podl架构，支持更多pd扩展端口，符合10base-t1l国际标准。
95.以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。