利用乙太網路供電即可免用電線

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

在新的建設工程中,從勞動力、物料和維護的方面而言,電纜和輸電線路施工是成本密集程度最高的工作。 根據營建法規,要安裝或變更任何永久性線路或電氣設備必須具備施工許可證以及有執照的電氣技師。 各家企業若想要彈性地重新配置辦公室空間和廠房以便追求更高效率,便得付出高昂的成本。 要輸送電力到遠端的戶外地點也是所費不貲。 這些挑戰使得現在家庭和工業環境中普遍使用的大量由 IP 驅動的裝置無法發揮功用。 

乙太網路供電 (PoE) 遵從 IEEE 802.3af 和 802.3at 規格,使用標準的 CAT-5/5e 雙絞線乙太網路電纜提供電力以及數據連線能力,而能夠解決這些問題。 PoE 比其他替代方案更加節省成本,設計也很簡單,只要有數據連線端點便能供電。 在沒有電源供應之處安裝遠端裝置 (例如周邊感測器) 時,這項功能尤其便利。

根據所使用的模式,PoE 能為網路存取/邊緣交換器以及路由器、VoIP 電話、IP 相機和其他感測器提供最高 15 W 或 30 W 的電力。 WiFi 和 Bluetooth 存取點及 RFID 讀卡機使用 PoE 的比例越來越高,所以在必要之處都可以放置,無論 AC 插座的位置在哪裡。 PoE 標準支援 10Base-T、100Base-T、100Base-TX 和 1000Base-T (Gigabit 乙太網路) 介面,電纜最長 100 公尺。

PoE 優點

WiFi 的應用層面廣泛,但是有線連線耗電量仍較少,也是條件惡劣的環境中的優先選擇。 USB 是 PoE 的另一項替代方案,但是其功率在 5 W 以下 (USB 3.0 可在 5 V 下提供 900 mA 的電量),無法為許多高階功能的裝置提供足夠電力。

嵌入式應用使用 PoE 能享受非常多優勢。 它可以沿用既有的網路線路,不必為每個裝置提供 AC 電力或是專用的電源接頭,因而省下這些成本。 PoE 電纜是低電壓電路,不需要有執照的電氣技師也可以安裝。 PoE 電纜可以安全地安裝在樓板間的空間中,以極低成本在現有架構中新增連線能力。

PoE 設計遵從 IEEE 標準,但是普通的印刷電路板設計師通常不知道要如何克服 PoE 實作訊號完整性的挑戰 (要讓訊號無論電纜長度而且在各種不同的環境條件下皆可運作)。 比較簡單的方法是採用經實證的具備 PoE 功能的現成單板電腦。

PoE 單板電腦

LEX Computech 3I390NX Series 3.5 吋 主機板就是例子之一,它有五個乙太網路連接埠,其中四個提供 15 或 30 W 模式的 PoE 功能。 (圖 1)。 它採用最新的 Intel® Pentium® 處理器 N4200/N3350/E3950 (前身是 Apollo Lake) 處理器系列產品。

圖 1:LEX Computech 3I390NX 系列主機板提供四個 PoE 連接埠。 (來源:LEX Computech)

3I390NX 具備 SATA、繪圖顯示技術、音訊、序列埠、USB、DIO、看門狗計時器和 PCIe 擴充槽,對於要求使用高功能單板電腦控制一連串接受供電的裝置 (圖 2) 的監視錄影、網路、自動化、軍事和工業應用而言,是相當適合的選擇。

圖 2:LEX Computech 31390NX 採用 Intel® Pentium® 處理器 N4200/N3350/E3950 (前身是 Apollo Lake 處理器系列) 以及 Intel i1211 乙太網路 MAC/PHY。 (來源:LEX Computech)

主機板內建 LAN

機板的五個乙太網路連接埠採用 Intel i211AT GbE LAN 晶片。 Intel i1211 AT 是採用 PCIe 規格的整合式 GbE MAC 和 PHY,適用於主機板內建網路晶片 (LOM) 的設計。

Intel i1211 以硬體方式協助 TCP 卸載,可處理最大 256 KB 的封包,避免 CPU 發生過載現象,亦提供端對端 CRC 訊框檢查。 若無這項支援,這些處理器密集型作業可能會消耗極多的 CPU 核心運算頻寬,導致終端應用程式的可用頻寬變得極少。 因為 3I390NX SBC 擁有五個乙太網路連接埠,這樣的情況更加明顯。

值得一提的是,控制器支援 EEE (節能乙太網路,IEEE 802.3AZ),這是 1000Base-T 和 100Base-TX 實作的低功率閒置狀態。 這種低功率閒置可降低機板上五個乙太網路連接埠的操作功率,在控制緊縮的電源預算時是十分實用的功能。

低功率處理器

憑藉僅 6 W 的 TDP 以及 CPU 接面溫度最高 105 度之特點,Intel® Pentium® 處理器 N4200 可以用無風扇組態運行,戶外應用也沒問題。 LEX Computech TASK 系列展示了這項功能,在小巧的機殼 (77 x 210 x 125 mm) 中容納 SBC 功能,操作溫度範圍介於 -20°C 至 +70°C 之間。

圖 3:LEX Computech TASK 系列為 3I390NX 單板電腦提供現成的機殼。 (來源:LEX Computech)

諸如機器視覺或錄影監控一類應用,處理器有便利的視訊功能。 其晶片能夠驅動 4K 顯示,而 31390NX 是透過 HDMI 顯示。  Apollo Lake 處理器支援 Intel® HD Graphics 505,這是 Intel 第 9 代繪圖與媒體編碼/解碼引擎。 它支援 DirectX、OpenGL、OGL ES 和 OpenCL。 31390NX 因此能夠執行 3D 彩現、媒體合成與視訊編碼。

結論

乙太網路供電可以減少廠房在部署裝置時的物料與安裝成本。 它也可以讓您在無法取得 AC 電源的地點安裝具備 PoE 功能的裝置。 單板電腦如 31390NX 利用現成的替代方案提供整合器,為使用 PoE 的嵌入式應用提供最合適的主機板功能。

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