微控制器與光纖的結(jié)合應(yīng)用分析

　　長(zhǎng)期以來(lái)，基于銅的連接為我們提供了良好的服務(wù)，并將繼續(xù)在從性能和成本角度來(lái)看它有效的應(yīng)用中這樣做。然而，對(duì)于超高速和/或長(zhǎng)距離信號(hào)，使用金屬導(dǎo)體的材料成本和物理信號(hào)限制已將目光轉(zhuǎn)向其他傳輸機(jī)制。

　　光纖并不是什么新鮮事物，電信行業(yè)已經(jīng)推動(dòng)了光纖收發(fā)器和鏈路的開(kāi)發(fā)和部署，因此它們現(xiàn)在遍布全球。我們很少有設(shè)計(jì)需要以如此高的速度穿越長(zhǎng)距離。我們當(dāng)中很少有人有足夠的財(cái)力來(lái)建立龐大的高速網(wǎng)絡(luò)。另一方面，工程師們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐囊笳谕苿?dòng)金屬互連的極限。

　　這是因?yàn)閷?duì)通信的需求不僅僅是計(jì)算機(jī)中心之間的遠(yuǎn)距離布線(xiàn)。通信需求還擴(kuò)展到機(jī)架到機(jī)架，甚至是機(jī)箱內(nèi)的板到板，所有這些都將光纖技術(shù)推向更高速的設(shè)計(jì)。

　　MCU 上的傳統(tǒng) COM 鏈路足以滿(mǎn)足亞 Mbit/sec 數(shù)據(jù)速率。然后以太網(wǎng)將我們從 10 Mbit/s 帶到了 100 Mbit/s，現(xiàn)在 1 Gbit/s 鏈路很常見(jiàn)。這是銅耗盡蒸汽和纖維開(kāi)始發(fā)光的地方。

　　本文著眼于工程師在連接微控制器和光纖時(shí)面臨的問(wèn)題和擔(dān)憂(yōu)。這包括設(shè)置和控制激光發(fā)射器功率水平和接收器靈敏度閾值的基本任務(wù)，以及實(shí)時(shí)跟蹤性能。

　　俯視圖

　　我們可以將微控制器與光纖的結(jié)合分為兩大類(lèi)。一方面是高端網(wǎng)絡(luò)處理器。這些以非常高的速度實(shí)現(xiàn)和解碼來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)流的協(xié)議，通常與 FPGA 結(jié)合使用，這些部件本身就是一類(lèi)。

　　另一方面是較小的專(zhuān)用處理器，它們控制或存在于（或靠近）模塊化或分立的發(fā)射器、接收器或收發(fā)器。離散檢測(cè)器、發(fā)射器、激光器、光纖連接器和電纜組件當(dāng)然讓我們可以將所有光纖元件放置在我們自己的電路板上。當(dāng)只需要幾個(gè)鏈接時(shí)，可以在電路板上復(fù)制整個(gè)通信鏈接。

　　我們的主要嵌入式處理器當(dāng)然可以存儲(chǔ)和檢索發(fā)射功率水平、接收偏差和熱補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)數(shù)據(jù)。這些可以在上電期間按順序設(shè)置，并作為初始化過(guò)程的一部分進(jìn)行復(fù)位。然而，實(shí)時(shí)跟蹤許多鏈路的性能和動(dòng)態(tài)調(diào)整通信參數(shù)可能會(huì)對(duì)中央主機(jī)處理器造成影響，尤其是在需要許多光纖鏈路的情況下。

　　在后一種情況下，一種可行的方法是設(shè)計(jì)我們自己的模塊或模塊化電路塊，它可以像任何其他部件一樣實(shí)現(xiàn)和盤(pán)點(diǎn)，并像復(fù)制和粘貼功能一樣復(fù)制到新設(shè)計(jì)中。在這種情況下，每個(gè)模塊中的小型專(zhuān)用處理器可以實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)控鏈路的性能（圖 1）。

　　圖 ：如果中央處理器能夠足夠快地監(jiān)控和糾正所有光纖鏈路，則可以將電平保持在最佳點(diǎn)。如果采樣和校正周期太少，參數(shù)可能會(huì)漂移到引入錯(cuò)誤的水平。與 1，000 個(gè)不同，一個(gè)鏈接不是監(jiān)控的負(fù)擔(dān)。

　　乍一看，這似乎是一種浪費(fèi)的努力或不必要的冗余。當(dāng)我只能使用一個(gè)時(shí)，為什么還要有十幾個(gè)小型處理器？這將取決于我們需要多少鏈接。一個(gè)鏈接可能不會(huì)占用嵌入式控制器太多的主機(jī)處理時(shí)間和資源，但可以加起來(lái) 1，000 個(gè)鏈接。體積小、價(jià)格便宜、大批量、封裝或什至裸片形式的預(yù)編程專(zhuān)用處理器將比模塊化光纖設(shè)計(jì)中的大多數(shù)其他組件便宜。

　　這種方法的另一個(gè)好處是能夠?yàn)槟哪K化收發(fā)器提供外部高精度時(shí)鐘。這允許偏差控制和跨多個(gè)鏈路的數(shù)據(jù)同步傳輸。

　　在我們的模塊內(nèi)部，基本處理器可以存儲(chǔ)參數(shù)以及執(zhí)行診斷。當(dāng)光纖鏈路不需要高速時(shí)，這些專(zhuān)用處理器還可以用作串行到并行和并行到串行轉(zhuǎn)換器。

　　光纖的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是電隔離。如果您正在制作的盒子連接到高壓公用線(xiàn)路并需要通信，Industrial Fiber Optics 的廉價(jià)塑料光纖是理想的解決方案，尤其是在需要亞 Mbit/s 數(shù)據(jù)速率的情況下。

　　低成本塑料光纖（圖 2）設(shè)計(jì)用于行業(yè)常見(jiàn)的 1.0 毫米或 1，000 微米芯塑料光纖，通常使用可見(jiàn)光 LED 代替昂貴的激光器?，F(xiàn)成的 PCB發(fā)射二極管和接收器光電晶體管可輕松放置在電路板的外圍。然而，大多數(shù)時(shí)候，高數(shù)據(jù)速率將推動(dòng)對(duì)光纖的需求，而塑料則不會(huì)。

　　現(xiàn)成的低成本塑料光纖鏈路非常適用于可受益于塑料光纖提供的高壓隔離的低速微控制器數(shù)據(jù)速率。這些也可以在高噪音環(huán)境中運(yùn)行。

　　OEM 還是自己生產(chǎn)？

　　如果我們的設(shè)計(jì)需要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并與數(shù)十家不同制造商的設(shè)備互操作，那么 OEM 成品和認(rèn)證模塊是進(jìn)入市場(chǎng)的最快和最便宜的方式。如果您可以控制鏈接到鏈接的特征，那么在時(shí)間允許的情況下自行設(shè)計(jì)將節(jié)省資金。

　　最簡(jiǎn)單的控制鏈接是離散變送器。僅傳輸鏈路比收發(fā)器更簡(jiǎn)單，基本上是通過(guò)數(shù)據(jù)打開(kāi)和關(guān)閉的可編程激光驅(qū)動(dòng)器。Analog Devices ADN2830ACPZ32 等分立式激光驅(qū)動(dòng)器使用平均光功率的閉環(huán)控制并調(diào)整激光偏置以維持和監(jiān)控光電二極管電流。偏置控制范圍為 4 至 200 mA。這些可以報(bào)告狀態(tài)，但通常通過(guò)偏置電阻器或微調(diào)設(shè)置。

　　離散光纖接收器填充我們收發(fā)器鏈路的另一端；在這里，數(shù)字微調(diào)式閾值檢測(cè)和增益選擇也可以讓我們的專(zhuān)用或集中式主機(jī)處理器控制和調(diào)整性能。

　　示例處理器

　　幾個(gè)簡(jiǎn)單的專(zhuān)用微控制器可用于我們的發(fā)送、接收或收發(fā)器模塊或模塊組。德州儀器（TI） MSP430FR5739IRHAR等基本處理器非常適合光收發(fā)器模塊內(nèi)部的日常管理功能，例如從其 NovRAM 存儲(chǔ)設(shè)置校準(zhǔn)的功率水平。請(qǐng)注意使用 FRAM 以提高可靠性。這些 MCU 還可以監(jiān)控溫度并補(bǔ)償功率水平和靈敏度閾值。TI 正在為其處理器積極瞄準(zhǔn)光纖網(wǎng)絡(luò)

　　。1 當(dāng)使用多個(gè)光纖收發(fā)器組時(shí)，降低功耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并且 TI 提供了一個(gè)關(guān)于低功耗操作和 MSP430 系列特性的培訓(xùn)模塊。一個(gè)概述 PTM 系列也已上線(xiàn)，專(zhuān)注于設(shè)計(jì)工具。可用于光網(wǎng)絡(luò)的MSP-EXP430FR5739開(kāi)發(fā)套件也可從 Digi-Key 輕松獲得。

　　Maxim 是另一家專(zhuān)門(mén)針對(duì)光纖通信的制造商，其嵌入式控制器設(shè)計(jì)用于 SFP+、QSFP、40 G 和 100 G 光收發(fā)器以及 PON 雙工器和三工器（圖 3）。DS4830稱(chēng)為光學(xué)微控制器，是一個(gè) 16 位微控制器，周?chē)幸粋€(gè) 13 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有 26 個(gè)可復(fù)用輸入。

　　圖 ：16 位嵌入式微控制器專(zhuān)用于保持高速光纖鏈路的完整性，同時(shí)優(yōu)化功耗和控制主動(dòng)冷卻技術(shù)。

　　一個(gè)特別好的功能是 8 通道、12 位緩沖 DAC 以及 10 通道升壓/降壓基于 PWM 的 DC/DC 控制器，分辨率高達(dá) 12 位。這允許相當(dāng)容易地對(duì)多個(gè)激光器進(jìn)行精確和快速的功率控制?？梢酝ㄟ^(guò)芯片的 I2C 端口進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整和覆蓋，并且可以通過(guò)使用 JTAG 端口為內(nèi)部處理器開(kāi)發(fā)自定義代碼。

　　Maxim還提供DS4830EVKIT#光學(xué)微控制器評(píng)估套件，支持整個(gè)MAXQ系列嵌入式微控制器。

　　如前所述，有源溫度和功率控制對(duì)于光纖鏈路的可靠性至關(guān)重要。Maxim 提供了一個(gè)應(yīng)用筆記，說(shuō)明了嵌入式處理器需要執(zhí)行的控制環(huán)路，以可靠地將溫度保持在安全范圍內(nèi)。2

　　總之，光纖不再僅用于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?，F(xiàn)代服務(wù)器需要高速、機(jī)架到機(jī)架的通信，即使在一個(gè)盒子內(nèi)，信號(hào)速度也可能決定了對(duì)光纖通信鏈路的需求。

　　無(wú)論是在您的 PCB 上放置幾個(gè)鏈接，還是設(shè)計(jì)您自己的模塊化解決方案，工程師都可以利用嵌入式處理器來(lái)保持驅(qū)動(dòng)和電源參數(shù)不變，從而獲得更高的可靠性和一致的性能。這些處理器也可以成為您模塊化設(shè)計(jì)的一部分，以節(jié)省成本或滿(mǎn)足高壓隔離等特殊需求，或在不降低信號(hào)質(zhì)量的情況下穿越高 EMI/RFI 路徑。