纖巧、低功耗MCU如何滿足光模塊設(shè)計(jì)需求

5G的到來預(yù)示著技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來。雖然最終用戶以無線方式連接到網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)的核心需要穩(wěn)定可靠的有線連接，因此光纖是一種典型的互連方式。本文介紹Maxim微控制器設(shè)計(jì)光模塊，光模塊是光纖通信的重要組成部分。

5G是當(dāng)今的熱門話題，5G的到來預(yù)示著“物聯(lián)網(wǎng)”的新時(shí)代。使這成為可能的5G網(wǎng)絡(luò)非常廣泛，具有許多無線連接到網(wǎng)絡(luò)的終端。然而，局域網(wǎng)需要通過有線方式連接到互聯(lián)網(wǎng)，而光纖通信是一種典型的互連方式，其中光模塊是非常重要的和必不可少的一部分。本文討論微型低功耗微控制器單元（MCU）如何在此類應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

Maxim Integrated的MAX32660非常適合當(dāng)今基于以下特性和功能的光模塊設(shè)計(jì)：

高性能：

內(nèi)置 96MHz 時(shí)鐘源

手臂皮層-M4F核心??

內(nèi)置 256kB 閃存

96kB SRAM，在低功耗模式下具有保留選項(xiàng)

16kB 指令高速緩存

內(nèi)存保護(hù)單元 （MPU）

0.9V至1.1V內(nèi)核電壓

1.7V 至 3.6V GPIO 工作范圍

集成 LDO 采用單電源供電

工業(yè)工作溫度：-40°C 至 +105°C

可選 I2C， SPI & UART Bootloader

低功耗：

85μA/MHz 從閃存主動(dòng)執(zhí)行

2μA 全內(nèi)存保持能力（在備份模式下為 V）DD= 1.8V

RTC 功耗 570nA （V）DD= 1.8V

內(nèi)部 80kHz 環(huán)形振蕩器

優(yōu)化的外設(shè)：

多達(dá) 14 個(gè) GPIO

多達(dá)兩個(gè) SPI 連接

最多兩個(gè) UART

最多兩個(gè) I2C 連接，3.4Mbps 高速

我2C 接口

四通道標(biāo)準(zhǔn) DMA 控制器

三個(gè) 32 位定時(shí)器

看門狗定時(shí)器

CMOS電平32.768kHz RTC輸出

下圖是該MCU的內(nèi)部框圖：

圖 1：MCU 內(nèi)部框圖。

如框圖和前面的描述所示，MAX32660的主要優(yōu)點(diǎn)是高性能、低功耗和小封裝，非常適合光模塊設(shè)計(jì)。光模塊一般需要兩個(gè)I2C 接口：一個(gè)用作 I2C輔助接口連接外部，另一個(gè)作為I2與模擬前端 （AFE） 通信的 C 主接口。

雖然MAX32660在Maxim Integrated的MCU系列中具有最小的封裝和最少的GPIO，但這并不意味著它在任何方面都很弱。與其他具有豐富外設(shè)的MCU一樣，它具有96MHz的高時(shí)鐘速度和Cortex-M4F內(nèi)核;很多時(shí)候，客戶只發(fā)現(xiàn)它只適用于允許他們使用很少的外圍設(shè)備運(yùn)行專有算法的應(yīng)用程序。但是，在光學(xué)模塊中，微控制器必須具有通用的外設(shè)，例如I2C 除了核心的快速處理速度。雖然MAX32660的I/O端口較少，但它針對(duì)所有常用接口進(jìn)行了優(yōu)化。

光模塊由光電器件、功能電路和光接口組成。光電器件具有發(fā)射和接收模式。簡(jiǎn)而言之，光模塊的功能是光電轉(zhuǎn)換;發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后接收器通過光纖傳輸后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

在傳輸過程中，具有特定比特率的電信號(hào)由內(nèi)部驅(qū)動(dòng)芯片輸入并處理，以驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED）發(fā)出具有相應(yīng)比特率的調(diào)制光信號(hào)。此外，內(nèi)部設(shè)有光功率自動(dòng)控制電路，以保持輸出光信號(hào)功率穩(wěn)定。

對(duì)于接收模式，具有一定比特率的光信號(hào)輸入模塊，由光檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由前置放大器放大，輸出相應(yīng)比特率的電信號(hào)。

光模塊可以按功能、參數(shù)和封裝進(jìn)行分類，本文不做詳細(xì)介紹。有興趣的人可以在線找到其他資源。

對(duì)于低端光模塊，信號(hào)直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)的比特率與光信號(hào)的比特率相同。有許多高速光模塊將多個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)光信號(hào)。DSP 是一種消耗大量功率的設(shè)備，用于處理橋接數(shù)據(jù)。

以下是典型光學(xué)模塊的內(nèi)部框圖：

圖 2：典型光學(xué)模塊內(nèi)部框圖。

如上圖所示，MCU通過I管理許多外圍設(shè)備2C 并且還充當(dāng) I2C 輔助與主機(jī)通信。MAX32660支持高達(dá)3.4Mbps I2C速度，可以滿足絕大多數(shù)主機(jī)的通信速度要求。

MAX32660可與Maxim Integrated的配套AFE芯片配合使用，兩者形成理想的組合。該 MCU 通過 I 操作2C、SPI 或 UART 端口，用于控制 AFE 的 ADC、TEC 驅(qū)動(dòng)器等。

TEC代表熱電子冷卻器，可以看作是芯片級(jí)冷卻劑，在光模塊中起著重要作用。在光模塊的傳輸部分，激光器發(fā)出光信號(hào)，在運(yùn)行過程中需要冷卻以確保穩(wěn)定性。輸入電流和電壓信號(hào)必須準(zhǔn)確，并在激光器工作時(shí)由ADC監(jiān)控。

MCU是整個(gè)系統(tǒng)的核心;由于它與其他設(shè)備協(xié)調(diào)，因此需要具有相對(duì)較高的處理能力和某些外圍接口。MCU需要設(shè)置和監(jiān)控每個(gè)功能電路的正常運(yùn)行。例如，MCU支持與DSP和AFE芯片的實(shí)時(shí)通信，監(jiān)控DSP和激光器的溫度、電壓和電流，并實(shí)時(shí)響應(yīng)主機(jī)通信。

Maxim Integrated的MCU頻率相對(duì)較高，Cortex-M4F內(nèi)核可以確保這些交易可以實(shí)時(shí)處理。同時(shí)，光模塊客戶一般需要一臺(tái)具有在線升級(jí)功能的單片機(jī)，以便主機(jī)可以通過在線升級(jí)單片機(jī)。2C 接口。Maxim Integrated 開發(fā)了一種引導(dǎo)加載程序，可以通過 I 進(jìn)行通信。2C、UART 或 SPI，同時(shí)為客戶提供易于實(shí)現(xiàn)的引導(dǎo)加載程序源代碼。這使客戶可以選擇使用Maxim Integrated的引導(dǎo)加載程序或設(shè)計(jì)自己的引導(dǎo)加載程序。

為了滿足光學(xué)模塊持續(xù)升級(jí)和功能增強(qiáng)的需求，Maxim Integrated在MAX32660的基礎(chǔ)上增加了MAX32670，它集成了更多的存儲(chǔ)器（閃存/SRAM）和使能糾錯(cuò)碼（ECC），適用于工作可靠性至關(guān)重要且需要更多存儲(chǔ)器密集型算法的應(yīng)用。此外，MAX32670還集成了全套安全功能和安全引導(dǎo)加載程序。

總之，值得注意的是，Maxim Integrated在光模塊領(lǐng)域擁有多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)行業(yè)有著深刻的理解。Maxim Integrated提供多種光模塊產(chǎn)品，如MCU、光AFE、ADC、DAC、DC-DC、TEC 驅(qū)動(dòng)器等，使產(chǎn)品集成更加輕松快捷。

審核編輯：郭婷