一种二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构

摘要

本实用新型提供一种二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构，包括：PSE1模块、PHY1模块、PHY2模块、PHY3模块、PHY4模块、PD1模块和PD2模块；所述PSE1模块与所述PHY1模块通过第一PN总线连接；所述PHY4模块与第二PN总线连接，所述第一PN总线与所述第二PN总线相连接；所述PD1模块与所述PHY2模块通过第三PN总线连接，所述第三PN总线通过第一数据链路与所述第一PN总线连接；所述PD2模块与所述PHY3模块通过第四PN总线连接，所述第四PN总线通过第二数据链路与所述第二PN总线连接。本实用新型能够实现PSE模块与PD模块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。

说明书

技术领域

本实用新型涉及工业互联网技术领域，具体地，涉及一种二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构。

背景技术

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。

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。

经对智能工厂单对双线以太网现有架构的检索发现，目前阶段尚无现有二对二和二对多工业以太网PoDL信电同传结构，也缺乏相关的科技文章。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

根据本实用新型的一个方面，提供一种二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构，包括PSE1模块、PHY1模块、PHY2模块、PHY3模块、PHY4模块、PD1模块和PD2模块；

所述PSE1模块与所述PHY1模块通过第一PN总线连接；

所述PHY4模块与第二PN总线连接，所述第一PN总线与所述第二PN总线相连接；

所述PD1模块与所述PHY2模块通过第三PN总线连接，所述第三PN总线通过第一数据链路与所述第一PN总线连接；

所述PD2模块与所述PHY3模块通过第四PN总线连接，所述第四PN总线通过第二数据链路与所述第二PN总线连接。

进一步地，所述第一PN总线包括第一P线和第一N线；所述PSE1模块的PI+端分别与第一电感的一端和第一二极管的阴极相连，所述第一二极管的阳极连接第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极与所述第一电感的另一端相连后与所述第一P线相连接；所述PSE1模块的PI-端分别与第二电感的一端和第三二极管的阳极相连，所述第三二极管的阴极连接第四二极管的阳极，所述第四二极管的阴极与所述第二电感的另一端相连后与所述第一N线相连接。

进一步地，所述PHY1模块的BI_DA+端与第一电容的一端相连接，所述第一电容的另一端与所述第一P线相连接；所述PHY1模块的BI_DA-端与第二电容的一端相连接，所述第二电容的另一端与所述第一N线相连接。

进一步地，所述第二PN总线包括第二P线和第二N线；所述PHY4模块的BI_DA+端与第七电容的一端相连，所述第七电容的另一端与所述第二P线相连接；所述PHY4模块的BI_DA-端与第八电容的一端相连，所述第八电容的另一端与所述第二N线相连接。

进一步地，所述第一P线与所述第二P线之间通过第七电感、第十三二极管和第十四二极管连接，所述第七电感的一端与所述第十三二极管的阴极相连后与所述第一P线相连，所述第七电感的另一端与所述第十四二极管的阳极相连后与所述第二P线相连，所述第十三二极管的阳极与第十四二极管的阴极相连；所述第一N线与所述第二N线之间通过第八电感、第十五二极管和第十六二极管连接，所述第八电感的一端与所述第十五二极管的阳极相连后与所述第一N线相连，所述第八电感的另一端与所述第十六二极管阴极相连后与所述第二N线相连，所述第十五二极管的阴极与所述第十六二极管阳极相连。

进一步地，所述第三PN总线包括第三P线和第三N线；所述PD1模块的PI+端分别与第三电感的一端和第六二极管的阳极相连，所述第六二极管的阴极连接第五二极管的阳极，所述第五二极管的阴极与所述第三电感的另一端相连后与所述第三P线相连接；所述PD1模块的PI-端分别与第四电感的一端和第八二极管的阴极相连，所述第八二极管的阳极连接第七二极管的阴极，所述第七二极管的阳极与所述第四电感的另一端相连后与所述第三N线相连接。

进一步地，所述PHY2模块的BI_DA+端与第三电容的一端相连，所述第三电容的另一端与所述第三P线相连接；所述PHY2模块的BI_DA-端与第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端与所述第三N线相连接。

进一步地，所述第四PN总线包括第四P线和第四N线；所述PD2模块的PI+端分别与第五电感的一端和第十二极管的阳极相连，所述第十二极管的阴极连接第九二极管的阳极，所述第九二极管的阴极与所述第五电感的另一端相连后与所述第四P线相连接；所述PD2模块的PI-端分别与第六电感的一端和第十二二极管的阴极相连，所述第十二二极管的阳极连接第十一二极管的阴极，所述第十一二极管的阳极与所述第六电感的另一端相连后与所述第四N线相连接。

进一步地，所述PHY3模块的BI_DA+端与第五电容的一端相连，所述第五电容的另一端与所述第四P线相连接；所述PHY3模块的BI_DA-端与第六电容的一端相连，所述第六电容的另一端与所述第四N线相连接。

进一步地，所述第一数据链路包括线束Wr1和线束Wr2；其中，所述线束Wr1的一端与所述第一P线相连接，所述线束Wr1的另一端与所述第三P线相连接；所述线束Wr2的一端与所述第一N线相连接，所述线束Wr2的另一端与所述第三N线相连接；所述第二数据链路包括线束Wr3和线束Wr4；其中，所述线束Wr3的一端与所述第二P线相连接，所述线束Wr3的另一端与所述第四P线相连接，所述线束Wr4的一端与所述第二N线相连接，所述线束Wr4的另一端与所述第四N线相连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下至少之一的有益效果：

(1)PHY1与PHY2检收发信息数据，由PSE1供电，由PHY2接收工厂边缘设备如传感器和执行器的信息数据；

(2)PHY4与PHY3检收发信息数据，由PSE1供电，由PHY3接收工厂边缘设备如传感器和执行器的信息数据；

(3)PHY1与PHY2检收发信息数据与PHY4与PHY3检收发信息数据相互之间没有信息联系；

(4)在PSE侧与PD侧可以有效实现信息数据和电力的汇合和分析，具有电感电压钳位支路，防止出现过压击穿现象。

附图说明

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：

图1为本实用新型一实施例的二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构的结构示意图。

具体实施方式

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。

参照图1所示，本实用新型一优选实施例的二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构的结构示意图，该结构用于单对双绞线智能工厂以太网信电同传(PoDL)系统，包括PSE1模块(U1)、PHY1模块(U2)、PHY2模块(U4)、PHY3模块(U6)、PHY4模块(U7)、PD1模块(U3)和PD2模块(U5)；其中，PSE1模块、PHY1模块和PHY4模块位于同一侧，PHY2模块、PHY3模块、PD1模块和PD2模块位于另一侧，PSE1模块与PHY1模块通过第一PN总线(P1N1)连接；PHY4模块与第二PN总线(P2N2)连接，第一PN总线与第二PN总线相连接；PD1模块与PHY2模块通过第三PN总线(P3N3)连接，第三PN总线通过第一数据链路(LS1)与第一PN总线连接；PD2模块与PHY3模块通过第四PN总线(P4N4)连接，第四PN总线通过第二数据链路(LS2)与第二PN总线连接。

PSE1模块与PHY1模块构成控制层或现场层的供电设备和数据收发设备，PD1模块与PHY2模块、PD2模块与PYH3模块构成工厂边缘的变电设备、用电设备和数据收发设备，PD1模块与PHY2模块、PD4模块与PYH3模块的供电电源均来自PSE1模块，但是二者的收发数据不同，PHY2模块与PHY3模块之间的总线分离，因此之间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，可以任意扩充成为多对多架构。

本实用新型实施例中，还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。

在一些实施方式中，第一PN总线包括第一P线(P1)和第一N线(N1)；PSE1模块的PI+端分别与第一电感(L1)的一端和第一二极管(D1)的阴极相连，第一二极管的阳极连接第二二极管(D2)的阴极，第二二极管的阳极与第一电感的另一端相连后与第一P线相连接；PSE1模块的PI-端分别与第二电感(L2)的一端和第三二极管(D3)的阳极相连，第三二极管的阴极连接第四二极管(D4)的阳极，第四二极管的阴极与第二电感的另一端相连后与第一N线相连接。

在一些实施方式中，PHY1模块的BI_DA+端与第一电容(C1)的一端相连接，第一电容的另一端与第一P线相连接；PHY1模块的BI_DA-端与第二电容(C2)的一端相连接，第二电容的另一端与第一N线相连接。

在一些实施方式中，第二PN总线包括第二P线(P2)和第二N线(N2)；PHY4模块的BI_DA+端与第七电容(C7)的一端相连，第七电容的另一端与第二P线相连接；PHY4模块的BI_DA-端与第八电容(C8)的一端相连，第八电容的另一端与第二N线相连接。

在一些实施方式中，第一P线与第二P线之间通过第七电感(L7)、第十三二极管(D13)和第十四二极管(D14)连接，第七电感的一端与第十三二极管的阴极相连后与第一P线相连，第七电感的另一端与第十四二极管的阳极相连后与第二P线相连，第十三二极管的阳极与第十四二极管的阴极相连；第一N线与第二N线之间通过第八电感(L8)、第十五二极管(D15)和第十六二极管(D16)连接，第八电感的一端与第十五二极管的阳极相连后与第一N线相连，第八电感的另一端与第十六二极管阴极相连后与第二N线相连，第十五二极管的阴极与第十六二极管阳极相连。

在一些实施方式中，第三PN总线包括第三P线(P3)和第三N线(N3)；PD1模块的PI+端分别与第三电感(L3)的一端和第六二极管(D6)的阳极相连，第六二极管的阴极连接第五二极管(D5)的阳极，第五二极管的阴极与第三电感的另一端相连后与第三P线相连接；PD1模块的PI-端分别与第四电感(L4)的一端和第八二极管(D8)的阴极相连，第八二极管的阳极连接第七二极管(D7)的阴极，第七二极管的阳极与第四电感的另一端相连后与第三N线相连接。

在一些实施方式中，PHY2模块的BI_DA+端与第三电容(C3)的一端相连，第三电容的另一端与第三P线相连接；PHY2模块的BI_DA-端与第四电容(C4)的一端相连，第四电容的另一端与第三N线相连接。

在一些实施方式中，第四PN总线包括第四P线(P4)和第四N线(N4)；PD2模块的PI+端分别与第五电感(L5)的一端和第十二极管(D10)的阳极相连，第十二极管的阴极连接第九二极管(D9)的阳极，第九二极管的阴极与第五电感的另一端相连后与第四P线相连接；PD2模块的PI-端分别与第六电感(L6)的一端和第十二二极管(D12)的阴极相连，第十二二极管的阳极连接第十一二极管(D11)的阴极，第十一二极管的阳极与第六电感的另一端相连后与第四N线相连接。

在一些实施方式中，PHY3模块的BI_DA+端与第五电容(C5)的一端相连，第五电容的另一端与第四P线相连接；PHY3模块的BI_DA-端与第六电容(C6)的一端相连，第六电容的另一端与第四N线相连接。

在一些实施方式中，第一数据链路包括线束Wr1和线束Wr2；其中，线束Wr1的一端与第一P线相连接，线束Wr1的另一端与第三P线相连接；线束Wr2的一端与第一N线相连接，线束Wr2的另一端与第三N线相连接；第二数据链路包括线束Wr3和线束Wr4；其中，线束Wr3的一端与第二P线相连接，线束Wr3的另一端与第四P线相连接，线束Wr4的一端与第二N线相连接，线束Wr4的另一端与第四N线相连接。

本实用新型实施例中的二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构，通过一组PSE与PHY、两组PD与PHY、四对总线、两组数据链路以及相应的通数据阻直流的电容、通直流阻数据的电感和过压抑制二极管，能够实现PSE与PD电力和信息的双线传输。该结构中各主要部分的功能如下：

PSE1模块(U1)的功能：产生额定+48V直流电压，PI+表示正极，PI-表示负极，经由第一电感L1与第二电感L2传输到第一PN总线即母线P1N1，P1N1总线直流电压即为+48V，P1表示正极，N1表示负极，第一电感L1与第二电感L2通直流阻交流，能够阻止高频信号数据传输至PSE1模块内部；第一二极管D1与第二二极管D2与第一电感L1并联，第一二极管与第二二极管导通压降大于1.4V，在PSE1模块断电时吸收第一电感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模块内部。

PHY1模块(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第一电容C1与第二电容C2传输到母线P1N1，或从接收来自PD1模块工厂边缘信息数据，第一电容C1与第二电容C2通交流阻直流，能够阻止直流电压传输至PHY1模块内部。

第一数据链路LS1的功能：连接P1N1与P3N3，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模块带载情况下PD1模块的得电电压低于+48V。

第二数据链路LS2的功能：连接P2N2与P4N4，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模块带载情况下PD1模块的得电电压低于+48V。

PD1模块(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模块供电。第三电感L3与第四电感L4的作用同电感L1与L2，二极管D5～D8的作用同二极管D1～D4。

PHY2模块(U4)的功能：通过第三电容C3与第四电容C4接收来自PHY1模块的差分信号数据，或向PHY1模块发送来自工厂边缘信息数据，电容C3、C4的作用同电容C1与C2。

PD2模块(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模块供电。电感L5、L6的作用同电感L1与L2，二极管D9～D12的作用同二极管D1～D4。

PHY3模块(U6)的功能：通过第五电容C5与第六电容C6接收来自PHY4模块的差分信号数据，或向PHY4模块发送来自工厂边缘信息数据，电容C5、C6的作用同电容C1与C2。

PHY4模块(U7)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第七电容C7与第八C8传输到母线P2N2，或从接收来自PD2模块工厂边缘信息数据，电容C7与C8通交流阻直流，能够阻止直流电压传输至PHY4内部。

本实用新型实施例中，适合二对二工业以太网单对双绞线信电同传结构一组优选参数如下：

符合标准：IEEE802.3cg 2019，即10BASE-T1L，传输速率10Mbps；

双线链路LS1、LS2：AWG14～18，500～1200m；

信息收发单元：输出数据差分电压的峰峰值为1.0V或2.4V；

二极管D1～D16：MSE1PB-M3/89A，1A，100V；

电感L1～L8：470μH；

交流电容C1～C8，C8～C11：0.22μF，100V。

本实用新型实施例中，PHY1模块与PHY2模块检收发信息数据，由PSE1模块供电，由PHY2模块接收工厂边缘设备如传感器和执行器的信息数据；PHY4模块与PHY3模块检收发信息数据，由PSE1模块供电，由PHY3模块接收工厂边缘设备如传感器和执行器的信息数据；PHY1模块与PHY2模块检收发信息数据与PHY4模块与PHY3模块检收发信息数据相互之间没有信息联系；在PSE侧与PD侧可以有效实现信息数据和电力的汇合和分析，具有电感电压钳位支路，防止出现过压击穿现象。

本实用新型实施例能够实现PSE模块与PD模块电力和信息的双线传输，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，从而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。

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。