用于沿以太网线缆的四个线对向单个被供电的设备传递在线功率的检测算法

摘要

本发明提供了一种用于确定以太网连接的所有导线都连接到同一被供电的设备(PD)的方法和装置。在所公开的一个实施例中，首先根据发现过程确定以太网连接的信号导线对耦合到有效PD，并且以太网连接的未被使用的导线对也耦合到有效PD。但是，仍未确定它们是否都耦合到同一PD。本公开提出将污染信号注入导线对之一，并对另一导线对执行发现过程。如果对另一导线对的发现过程由于污染信号而失败，则确定两个导线对都确实耦合到同一PD。

说明书

技术领域

本发明总地涉及通过有线数据电信网络连接由其他联网设备供电和/或 向其他联网设备供电的联网设备。

背景技术

在线功率(也称为以太网上的功率和PoE)是用于通过有线电信网络 从功率源设备(PSE)向链路段上的被供电的设备(PD)提供电功率的技 术。功率可以由链路段一端的端点PSE注入，或者由沿链路段的中跨 (midspan)的中跨PSE注入，所述中跨与链路段末端被电和物理耦合到 的介质相关接口(MDI)截然分开，并位于所述MDI之间。

PoE在2003年6月18日公布的题为“IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems- Local and metropolitan area networks-Specific requirements：Part 3 Carricr Sense Multiple Access with Collision Detection(CSMA/CD)Access Method and Physical Layer Specifications：Amendment：Data Terminal Equipment (DTE)Power via Media Dependent Interface(MDI)”的IEEE(电气电子工程 师学会)标准Std 802.3af-2003(这里称为“IEEE 802.3af标准”)中有所 描述。IEEE 802.3af标准是用于通过单个以太网线缆中的同一组线将以太 网分组的发送与基于DC的功率的发送组合起来的全球适用的标准。考虑 在线功率将对诸如因特网协议(IP)电话、监视照相机、用于电信网络的 交换和集线设备、用于识别目的的生物学传感器设备、其他生物学设备、 射频标识(RFID)卡和标签阅读器、安全卡阅读器、各种传感器和数据获 取设备、建筑物中的消防和救生设备等的PD供电。根据该标准，功率是 直流48伏的功率，功率水平的范围是从约0.5瓦到约15.4瓦。IEEE 802.3af标准中有分配所请求的功率量的机制。还存在其他私有机制，这些 机制与IEEE 802.3af标准相比提供更精细和更复杂的功率分配，同时仍基 本上遵循该标准。随着标准的演变，也可能提供更多的功率。传统的8根 导线型RG-45连接器(根据情况是公的或是母的)通常被用于所有以太网 连接的两端。它们如IEEE 802.3af标准中定义的那样被连线。

图1A、1B和1C是IEEE 802.3af标准所提出的PoE的三种不同变体 的电气示意图。在图1A中，数据电信网络10a包括具有整体功率源设备 (PSE)14a的交换机或集线器12a。来自PSE 14a的功率被经由中心抽头 变压器18aa和18ab注入到两条数据运送以太网双绞线对16aa和16ab 上。非数据运送以太网双绞线对16ac和16ad在该变体中未被使用。来自 数据运送以太网双绞线16aa和16ab的功率被从中心抽头变压器20aa和 20ab传导至被供电的设备(PD)22a以供使用，如图所示。在图1B中， 数据电信网络10b包括具有整体功率源设备(PSE)14b的交换机或集线器 12b。来自PSE 14b的功率被输入到两条非数据运送以太网双绞线对16bc 和16bd上。数据运送以太网双绞线对16ba和16bb在该变体中不被用于功 率传输。来自非数据运送以太网双绞线对16bc和16bd的功率被传导至被 供电的设备(PD)22b以供使用，如图所示。在图1C中，数据电信网络 10c包括不具有整体功率源设备(PSE)的交换机或集线器12c。中跨功率 插入设备24仅将两条数据运送以太网双绞线16ca-1和16cb-1上的数据信 号传递到相应的数据运送以太网双绞线16ca-2和16cb-2。来自位于中跨功 率插入设备24中的PSE 14c的功率被注入到两条非数据运送以太网双绞线 16cc-2和16cd-2上，如图所示。来自非数据运送以太网双绞线16cc-2和 16cd-2的功率被传导至被供电的设备(PD)22c以供使用，如图所示。注 意，被供电的端站点26a、26b和26c都是相同的，因此它们可以与上述任 意变体兼容。

现在转到图1D和1E，电气示意图示出了IEEE 802.3af标准的变体， 其中在四对以太网线缆上实现了1000BaseT通信。在线功率可以在两个线 对或四个线对上被提供。在图1D中，PD接受来自一对二极管桥电路(例 如本领域普通技术人员公知的全波二极管桥整流器型电路)的功率。取决 于在线功率是在线对1-2、线对3-4还是线对1-2+线对3-4上提供的，功率 可以来自二极管桥电路中的任一个或者来自这两个二极管桥电路。在图1E 所示电路中，与线对1-2相关联的PD由线对1-2上的在线功率供电，与线 对3-4相关联的PD被类似地供电。所使用的方法将取决于要被供电的 PD。

也可以通过本领域普通技术人员公知的不遵循IEEE 802.3af标准的技 术获得在线功率。

为了从PSE向PD提供常规在线功率，一般要求首先完成两个过程。 首先，必须完成“发现”过程以验证候选PD确实适于接收在线功率。第 二，必须完成“分类”过程以确定分配给PD的在线功率量，PSE具有可 分配给耦合的PD的有限量的在线功率资源。

发现过程寻找PD处的“身份网络(identity network)”。身份网络是 一个或多个电组件，当被来自PSE的信号探测时，所述一个或多个电组件 以某种预定方式作出响应。最简单的身份网络之一是跨两对普通模式功率/ 数据导线耦合的电阻。IEEE 802.3af标准要求存在25,000欧姆的电阻以便 被PD发现。该电阻可以一直存在，或者可以响应于来自PSE的发现信号 而在发现过程期间被接入电路。

PSE施加某在线功率(不是“常规”在线功率，即被减小的电压和被 限制的电流)作为发现信号来测量跨两对导线的电阻，从而确定是否存在 25，000欧姆的电阻。这通常被实现为第一时段的第一电压和第二时段的 第二电压，两个电压都超过最大空闲电压(根据IEEE 802.3af标准是0- 5V)，该最大空闲电压可能在常规在线功率未被提供的“空闲”时间期间 存在于导线对上。发现信号不进入分类电压范围(根据IEEE 802.3af标准 通常是15-20V)，但是具有该范围和空闲电压范围之间的电压。测量响应 于发现信号的施加而返回的电流，并且计算跨过两对导线的电阻。如果电 阻是身份网络的电阻，则可以开始分类过程，否则系统返回空闲状态。

根据IEEE 802.3af标准，分类过程涉及向PD施加分类范围内的电 压。PD可以使用电流源来将预定分类电流信号发送回PSE。该分类电流 信号对应于PD的“类别”。在目前制定的IEEE 802.3af标准中，类别如

表I所示：

  类别   PSE分类的   电流范围(mA)  对应的  在线功率水平(W)   0   1   2   3   4   0-5   8-13   16-21   25-31   35-45  15.4  4.0  7.0  15.4  15.4

表I

因此，发现过程被用来避免提供在线功率(以全电压-48VDC)给没 有专门适配为接收或利用在线功率的所谓的“遗留(legacy)”设备。

因此，分类过程被用来管理在线功率资源，从而可用功率资源可被高 效地分配和利用。

可能希望沿线缆中的所有四个线对提供在线功率。但是，有时未被使 用的线对被经由分路器重路由到单独的PD。因此，希望在沿所有四个线 对施加功率之前确保所有四个线对都被连接到同一PD。

附图说明

被结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的一 个或多个实施例，并与具体实施方式一起说明本发明的原理和实现。

图1A、1B、1C、1D和1E是根据现有技术的数据电信网络的几个部 分的电气示意图。

图2是根据现有技术的典型以太网10/100Base T连接的电气示意图。

图3是以10/100Base T系统中可预期的“正常”方式耦合的一对 PSE/PD系统的框图。

图4A-C是示出了以10/100Base T系统中未预期的方式耦合的系统的 框图。

图5是用于确定以太网连接的所有线对是否都端接于同一设备的方法 的流程图。

图6A和6B是示出了根据本公开确定以太网连接的所有四个线对是否 都耦合到同一设备的过程的概念框图。

图7是用于执行根据本公开所公开的算法的示例性电路的示意图。

图8是用于执行根据本公开所公开的算法的示例性电路的示意图。

具体实施方式

以下具体实施方式中描述的本发明实施例针对单个配线箱(wiring closet)中的功率和数据冗余性。本领域的普通技术人员将意识到，具体实 施方式仅是说明性的，而并非要以任何方式限制要求保护的本发明的范 围。本领域普通技术人员将很容易理解在具体实施方式中描述的实施例以 外的本发明的其他实施例也具有本公开的优点。现在详细参考附图中示出 的本发明的实现方式。在适当的情况下，附图中和以下具体实施方式中将 使用相同的标号来指示相同或相似的部分。

为了清楚起见，没有示出和描述这里描述的实现方式的全部常规特 征。当然，应当理解，在开发任何此类实际应用时，必须进行大量依实现 方式而定的判决以实现开发者的特定目标(例如遵循应用和业务相关的约 束)，并且这些特定目标将因实现方式和开发者而异。此外应当理解，这 种开发努力可能是复杂的和耗时的，但对于从本公开受益的本领域普通技 术人员而言仍然是常规技术手段。

现在看图2，其示出了典型的2对以太网(如果使用4个线对的话则 是10Base T、100Base T和1000Base T)连接。框100包括以太网端口， 因为它可能存在于诸如交换机、集线器、路由器或类似设备等网络设备 中。端口100中是PHY或物理层设备102，其包括发送电路104和接收电 路106。发送电路104接口到诸如RJ-45连接器(这里未示出)等的连接 器，并通过该连接器接口到包括至少两对导线(线对1-2(110)和线对3- 6(112))的线缆108。发送电路104和线缆108之间的接口包括诸如变 压器T1等的中心抽头磁设备。T1具有包括引脚1和2以及中心抽头6的 PHY侧，和包括引脚3和5以及中心抽头4的配线侧。PHY侧也称为初级 侧，配线侧也称为磁设备T1的次级侧。端接电路114向T1的初级侧提供 Vdd偏置(这里示为+3.3VDC)。T1的次级侧耦合到线缆对112，线缆对 112又在操作中耦合到网络设备118，网络设备118可以是另一集线器、 交换机或路由器或诸如语音IP(VOIP)电话或其他网络设备等的PD。

接收电路106和线缆108之间的接口包括诸如变压器T2等的中心抽 头磁设备。T2具有包括引脚1和2以及中心抽头6的PHY侧，以及包括 引脚3和5以及中心抽头4的配线侧。PHY侧也被称为初级侧，配线侧也 被称为磁设备T2的次级侧。端接电路116向T2的初级侧提供接地偏置。 T2的次级侧耦合到线缆对110，线缆对110又在操作中耦合到网络设备 118。如果所示导线对属于1000Base T有线数据电信网段，则每个线对将 同时发送和接收，并且线缆中的所有四个线对都将被使用。

T1和T2的中心抽头引脚4耦合到在线功率电路，所述在线功率电路 包括用于通过线缆108提供在线功率的48VDC电源120、控制电路122 和开关电路124。

图3是以10/100Base T系统中被预期的“正常”方式耦合的一对 PSE/PD系统的框图。因此，信号线对1、2和3、6被分别耦合在PSE 1和 PD 1、PSE 2和PD 2之间，未被使用的线对4、5和7、8也是这样。因 此，在图3的示例中，如果功率沿所有四个线对被提供，则如同所预期的 那样，功率将从PSE 1流到PD 1，以及从PSE 2流到PD 2。

图4A是其中未被使用的线对已被重路由到不同设备的系统的示意 图。在图4A中，如所预期的那样，信号线对1、2和3、6被耦合在PSE 1 和PD 1之间。但是，未被使用的线对4、5和7、8已被从PSE 1连接到 PD 2。类似地，未被使用的线对已被从PSE 2连接到PD 1。

在图4A所示的情形下，如果在线功率由PSE 1在线缆的所有四个线 对上被提供，则在线功率将被无意中提供给两个不同的设备：即经由信号 线对提供给PD 1，经由未使用的线对提供给PD 2。

图4B示出了其中未被使用的线对被耦合在PSE 1和PD之外的以太网 设备的示例。例如，未被使用的线对可以耦合到遗留设备(不遵循802.3af 的设备)或其他PSE。

图4C示出了其中PD 2的未被使用的线对被耦合到第三设备的情形， 在该情形下，第三设备是功率源设备PSE 3。

应当理解，图4A-C所示的情形表明，无意中将功率提供给不遵循 IEEE 802.3af标准的设备可能产生问题。例如，通常单个25k欧姆的电阻 被用在单个以太网连接器中，并且很多发现例程可能假设在信号线对上发 现25k欧姆签名(signature)表示成功的发现例程。如果发现过程假设所 有四个线对都耦合到同一设备，则发现过程可能会检测到信号线对中的签 名电阻并开通到所有四个线对的功率，这可能损坏遗留以太网设备。

为了防止这种情况，本公开提供了用于确定以太网连接的全部四个线 对是否都耦合到同一设备的方法。本公开提供了对802.3af发现过程的修 改，其中附加的探测信号被注入线对中以检测所有四个线对是否都端接于 同一设备。所公开的过程可以在信号线对和未被使用的线对二者的成功的 802.3af发现之后被采用。只有确定两种线对都耦合到同一设备，在线功率 才沿所有四个线对被传递。

确保所有线对去往同一PD的好处在于帮助减少现有技术中PSE、AC 断连和/或每两个线对上所需的精确DC探测电路的成本。本公开可以利用 仅针对一个线对设计的电路，从而减小复杂度和成本。

图5是用于确定以太网连接的所有线对是否都端接于同一设备的方法 的流程图。图5的过程开始于查询510，其中使用802.3af过程发现以太网 连接的信号线对和未被使用的线对。仅当两种线对都是可发现的时，过程 才继续，如果任一线对不能被成功地发现，则过程结束，因为线对之一未 被端接或连接到遗留以太网设备。

在PD要求双25k电阻(每组线对1、2和3、6以及4、5和7、8上 有一个)、功率FET开关和支持电路的情况下，PD可以包括将允许该方 案正确工作的内部电路，即帮助所公开的污染方法(polluting approach) 成功的附加内部晶体管开关和支持电路。该方案的优点在于它每次只在一 个线对上的PSE中执行25k检测，并帮助混合(mux)或重用PSE中已有 的电子器件，从而降低PSE电路的成本。

如果两种线对都在查询510中被发现，则过程进行到动作520，其中 污染信号被施加到信号线对，同时802.3af发现信号仍被施加。如下详述 的那样，本公开的污染信号优选地是意在“污染”发现过程并导致另一线 对(即在此情形下是未被使用的线对)的发现过程的有意失败的被另外施 加的电压源。

一旦污染信号已在动作520中被施加到信号线对，则过程进行到查询 530，其中发现过程被应用于未被使用的线对。如现在将更完整地理解的 那样，如果两个线对被耦合到同一设备，则污染一个线对上的信号将导致 另一个线对上的发现失败。在此情形下，在信号线对上注入污染信号应当 迫使未被使用的线对上的失败，如果它们确实连接到同一设备的话。因 此，该过程仅在在未被使用的线对上发现过程失败的情况下才继续进行。

如果在查询530中对未被使用的线对的发现失败，则污染/发现过程被 颠倒并在另一线对上执行。因此在动作540中，污染信号被施加到未被使 用的线对，并且在查询550中，确定在信号线对上发现过程是否失败。

现在可以理解，只有污染信号成功导致信号线对和未被使用的线对上 的发现失败时，在线功率才在动作560中被施加到所有四个线对。将污染 信号注入一个线对并探测另一线对上的发现失败，然后在相反的线对上重 复该过程，从而确保诸如PSE或中跨设备等的另一设备不在导致错误故障 的一个线对上提供无意的污染信号。

图6A和6B是示出了根据本公开确定以太网连接的所有四个线对是否 都耦合到同一设备的过程的概念框图。图6A示出了以理想方式耦合的系 统600，其中信号线对1、2和3、6都耦合到PD 1，未被使用的线对4、5 和7、8也都耦合到PD 1。在PD 1中，签名电阻(RSig)耦合到信号线对 和未被使用的线对二者，以便提供用于802.3af发现过程的电阻签名。

图6A示出了被施加到信号线对的污染信号610。在一个实施例中， 污染信号包括的电压量足以导致802.3af发现例程的有意失败。在一个优 选实施例中，污染信号包括从与发现检测源不同的源施加的电压，以确保 25k签名电阻不会被发现。在另一优选实施例中，污染信号包括10V DC 信号。考虑可以使用使得25k签名不易被发现的任何电压或脉冲。在优选 实施例中，污染信号的电压电平的范围可以在约6v和13v之间。电压电 平可以被保持低于20v，以通过确保PD在检测期间不开启来防止对功率 FET的损坏。

本公开的污染信号不需要只包括直接施加到导线对的信号。在另一优 选实施例中，希望例如当设备是自供电时使PSE从不向设备供电。在此情 形下，25k签名电阻可以被改变从而阻碍对同一25k签名电阻的发现过 程。

应当理解，由于图6A中的所有线对都耦合到同一PD，所以污染信号 610将也出现在未被使用的线对4、5和7、8上。因此，当25k电阻签名 在点620处被探测到时，探测到的电压和电流将被污染信号610干扰，从 而导致失败，因为正确的25k欧姆电阻将不被探测到。

类似地，如果过程被颠倒，即如果污染信号被施加到未被使用的线对 4、5和7、8，并且25k签名在信号线对1、2和3、6上被探测到，则结果 将是相同的，因此验证两种线对都确实耦合到同一PD。

图6B是示出了当未被使用的线对4、5和7、8耦合到不同PD(即 PD 2)时的结果的图。

在此情形下，施加到信号线对的污染信号610将不被耦合到未被使用 的线对上，因为在本示例中，未被使用的线对被耦合到PD 2而非PD 1。 相反，当25k电阻签名在点620处被探测到时，PD 2的25k欧姆电阻将被 正确地发现。这将导致未被使用的线对的成功的发现过程。由于信号线对 上的污染信号不影响未被使用的线对的25k电阻签名，所以可以论断，未 被使用的线对已被耦合到与信号线对不同的设备，因此在线功率将不被沿 所有四个线对传递。

现在参考图7，其示出了用于执行所公开的算法的示例性电路的示意 图。图7的系统包括以上述常规方式耦合到PD的PSE。根据IEEE 802.3af 标准，提供在线功率控制器IC。通常是功率晶体管的两个功率开关(分别 记为SW1和SW2)被耦合到要被供电的线对(线对1、2和7、8)，这 些开关还耦合到PSE的-48V功率源。功率开关通常设在控制IC中，但是 也可以是在IC外部并且通过耦合到开关晶体管的门的控制线控制。

为了执行IEEE PD发现例程，两条检测线Det 1和Det 2被分别耦合 到被供电的线对1、2和7、8。应当理解，检测线被耦合到功率开关前面 的线对，因为检测例程是在功率开关接通之前被执行的。

考虑发现例程和所公开的算法可以通过被另外编程以执行所公开的例 程的传统在线功率IC来执行。在一个实施例中，已有的检测线可被用来 检测所有四个线对是否都耦合到单个设备。为了提供这里使用的附加的+ 10V污染信号，考虑可以使用在线功率控制器和主机PSE中已有的48V功 率源。

在操作中，假设已经执行了标准发现过程。如上所述，希望通过污染 一个线对的签名同时在另一线对上执行发现过程来验证连接，然后对相反 的线对重复该过程。因此在第一测试中，线对1、2可以通过Det 1检测线 被检测，同时污染信号通过Det 2线被输出到线对7、8。然后可以以颠倒 的形式执行该过程，其中线对1、2通过Det 1线接收污染信号，同时通过 Det 2检测线在线对7、8上执行发现。因此，只需少许改进，就可以在已 有硬件中实现本公开的污染和发现例程。

简单参考图4C，其中所示的示例提出了一个非常有挑战性的问题。 本领域普通技术人员将理解，当线缆耦合到多个设备时，存在发现信号可 能来自多个源的可能性，并且单个PSE可能看到重复的25k欧姆电阻签 名。现在提供实施例来克服这些挑战。

在一个实施例中，不是提供外部信号来污染电阻签名，相反，已有发 现信号的一部分通过另一被供电的线对被分出(bleed off)。在优选实施 例中，约有一半的发现电流被通过另一线对路由，导致污染PD的25k欧 姆电阻，从而它对尝试进行污染算法的附接PSE而言被探测为具有两倍 25k欧姆签名值。

现在参考图8，诸如晶体管等的附加开关S3被添加到图7的结构中以 污染签名电阻。为了实现这个方案，开关S3在本公开的算法期间被闭 合，从而为流经PD的25k欧姆签名电阻的信号提供附加的路径。考虑该 附加的开关可在在线功率控制器IC的控制下操作。

本领域的普通技术人员应当理解，在正常IEEE发现例程期间，线对 7、8在线对1、2的发现过程期间将被置于高阻状态。因此，正常情况下 在线对1、2的发现过程期间将没有电流在线对7、8上流动。通过在线对 1、2的发现过程期间用S3接通线对7、8，考虑约有一半的检测电流现在 将流经线对7、8，导致在线对1、2上探测到一半的预期电流。这将导致 得到签名电阻约为50k欧姆的结论的计算，因此发现过程将失败。

现在应当理解，上述情景将仅在所有线对都耦合到同一PD时出现， 因为如果线对7、8耦合到不同PD则SW3将不起作用。因此，该附加的 发现过程不需要附加的信号发生操作，并且还是验证所有线对都耦合到同 一设备的另一方式。

此外，在一些配置中(例如图4C中或类似情形下示出的配置)，从 两个不同PSE到两个不同PD的线对中两个线对的交叉可能导致所公开的 方案被“愚弄”，并且由于检测过程是同步的并且有可能具有在共享到每 个PD中的单个25k电阻的连接的所有附接的PSE之间协调或不协调的多 个检测信号，所公开的方案可能得到错误的结论。

通过使PSE对“加载的”检测信号进行峰值检测并观察其相对于其自 身检测(同步)信号的相位关系以便确保来自其他主动检测PSE的交叉检 测信号不会导致污染算法失败，可以缓解这种情况。当将图4C的情形与 图6A的情形相比较时，根据PSE检测方案(电压和电流关系)的特性， 可以清楚这些特别测量或检查。

在图6A中，当所有线对都在同一PD中时，单个25k欧姆签名电阻在 所有线对之间共享。但是，图4C的每个PD具有其自己的签名电阻。因 此，考虑当观察从不同PD发散出的“非被加载”的检测信号时，由于负 载较小，电压将较高。

因此，在一个实施例中，PSE可以对与其检测方案协调的检测信号进 行峰值检测，并寻找由于经过其所连接的PD形成的电流环所需要的两个 二极管压降所导致的低于约7V的检测信号。读数仍然在10V附近的任何 检测信号都可以作为另一设备提供的错误读数而被丢弃。

虽然已经示出和描述了本发明的实施例和应用，但是受益于本公开的 本领域技术人员现在很清楚，在不脱离这里公开的发明原理的情况下可以 作出比上述多得多的修改。因此，所附权利要求意在把落在本发明真实精 神和范围内的所有这些修改包括在它们的范围内。