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微控制器和光纖的分類及應用設計

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-03-12 08:43 ? 次閱讀

基于銅的連接在很長一段時間內為我們提供了良好的服務,并且將繼續在從性能和成本角度來看有效的應用程序中實現這一目標。然而,對于超高速和/或長距離信號傳輸,使用金屬導體的材料成本和物理信號限制已經引起了人們對其他傳輸機制的關注。

光纖并不新鮮,電信業推動了發展并部署光纖收發器和鏈路,使它們現在遍布全球。我們的設計中很少有人需要以如此高的速度穿越長距離。我們中有更少的人擁有足夠的口袋來建立龐大的高速網絡。另一方面,工程師現在發現當地的要求正在推動金屬互連的極限。那是因為對通信的需求不僅僅是計算機中心之間的長距離布線。通信必需品也擴展到機架到機架甚至板對板,所有這些都將光纖技術推向更高速的設計。

MCU上的傳統COM鏈路足以滿足子Mbit的需求/秒數據速率。然后以太網將我們從10 Mbit/s帶到100 Mbit/s,現在1 Gbit/s鏈路很常見。這是銅耗盡蒸汽和光纖開始閃耀的地方。

本文著眼于工程師在連接微控制器和光纖時面臨的問題和關注點。這包括設置和控制接收器的激光發射器功率電平和靈敏度閾值以及實時跟蹤性能的基本任務。

頂部視圖

我們可以將微控制器與光纖的結合分為兩大類。一方面是高端網絡處理器。它們以非常高的速度實現和解碼來自多個數據流的協議,通常與FPGA結合使用,而這些部分本身就是一個類。

另一方面是控制或生活在其中的較小的專用處理器(或靠近模塊化或離散的發射器,接收器或收發器。離散檢測器,發射器,激光器,光纖連接器和電纜組件當然讓我們將所有光纖元件放在我們自己的電路板上。當只需要幾個鏈路時,整個通信鏈路可以在電路板上復制。

我們的主要嵌入式處理器當然可以存儲和檢索發射功率電平,接收偏置和熱補償的校準數據。這些可以在上電和復位期間按順序設置,作為初始化過程的一部分。然而,跟蹤性能并實時動態調整許多鏈路的通信參數會對中央主機處理器產生影響,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計我們自己的模塊或模塊化電路塊,可以像任何其他部件一樣實施和庫存,并像新設計上的復制和粘貼功能一樣進行復制。在這種情況下,每個模塊中的小型專用處理器可以實時跟蹤和監控鏈路的性能(圖1)。

微控制器和光纖的分類及應用設計

圖1:如果中央處理器具有監控并快速校正所有光纖鏈路,可以將電平保持在最佳點。如果發生的采樣和校正周期太少,參數可能會漂移到引入誤差的水平。與1,000不同,一個鏈接不是監控的負擔。

乍一看,這似乎是浪費精力或不必要的冗余。為什么我只能使用一個小型處理器?這取決于我們需要多少鏈接。一個鏈接可能不會從嵌入式控制器中占用太多主機處理時間和資源,但可以累計1,000個鏈接。體積小,價格低廉,體積大,預編程的封裝或甚至裸片形式的專用處理器將比模塊化光纖設計中的大多數其他組件便宜。

這種方法的另一個好處是能夠為模塊化供電帶有外部高精度時鐘的收發器。這允許在多個鏈路上進行偏斜控制和數據同步傳輸。

在我們的模塊中,基本處理器可以存儲參數以及執行診斷。當高速不是光纖鏈路的要求時,這些專用處理器還可以作為串行到并行和并行到串行轉換器

光纖的一個主要優點是電流電隔離。如果您正在制造的盒子連接到高壓公用設施線并需要通信,工業光纖的廉價塑料光纖是理想的解決方案,特別是如果只需要亞Mbit/s數據速率。

較低成本的塑料光纖(圖2)設計用于工業常見的1.0 mm或1,000μm芯塑料光纖,并且通常使用可見光LED而不是昂貴的激光器。現成的PCB發射二極管以及接收器光電晶體管可輕松放置在電路板的外圍。然而,大多數情況下,高數據速率將推動對光纖的需求,而塑料則不會這樣做。

圖2:低成本的現成塑料光纖鏈路非常適合低速微控制器數據速率,可以受益于塑料光纖提供的高壓隔離。這些也可以在高噪聲環境中運行OEM或自己動手?

如果我們的設計需要符合行業標準協議并與來自數十家不同制造商的設備進行互操作,那么對成品和認證模塊進行OEM制造是最快,最便宜的上市方式。如果您可以控制鏈接到鏈接的特性,那么設計自己的鏈接會在時間允許的情況下節省資金。

最簡單的控制鏈接是離散發送器。僅發送鏈路比收發器簡單,基本上是可編程激光驅動器,通過數據打開和關閉。 ADI公司ADN2830ACPZ32等離散激光驅動器使用平均光功率的閉環控制,并調整激光偏壓以維持和監控光電二極管電流。偏置控制范圍為4至200 mA。這些可以報告狀態,但通常通過偏置電阻或微調設置。

分立光纖接收器填寫收發器鏈路的另一端;在這里,數字 - trimpot式閾值檢測和增益選擇可以讓我們的專用或集中式主機處理器控制和調整性能。

示例處理器

幾個簡單的專用微控制器可用于我們的傳輸,接收或收發器模塊或模塊組。德州儀器TIMSP430FR5739IRHAR等基本處理器是光收發器模塊內部管理功能的理想選擇,例如用于設置NovRAM存儲器的校準功率電平。請注意使用FRAM來提高可靠性。這些MCU還可以監控溫度并補償功率水平和靈敏度閾值。 TI正積極為其處理器瞄準光纖網絡。1

當使用多組光纖收發器且TI提供有關MSP430系列低功耗操作和功能的培訓模塊時,降低功耗是一個關鍵問題。該系列的概述PTM也在線,因為它專注于設計工具。可用于光纖網絡的MSP-EXP430FR5739開發套件也可從Digi-Key獲得。

Maxim是另一家專門針對光纖通信的制造商,其嵌入式控制器設計用于SFP +,QSFP,40 G和100 G光學收發器,以及PON雙工器和三工器(圖3)。 DS4830被稱為光學微控制器,是一個16位微控制器,由一個13位A/D轉換器和26個可復用輸入包圍。

微控制器和光纖的分類及應用設計

圖3:16位嵌入式微控制器是致力于保持高速光纖鏈路的完整性,同時優化功耗并控制主動冷卻技術一個特別好的功能是8通道,12位緩沖DAC以及基于10通道升壓/降壓PWM的DC/DC控制器,分辨率高達12位。這允許相當容易地對多個激光器進行精確和快速的功率控制。設置,調整和覆蓋可以通過芯片的I2C端口進行,并且可以通過使用JTAG端口為內部處理器開發自定義代碼。

Maxim還提供DS4830EVKIT#光學微控制器評估套件,支持整個MAXQ系列嵌入式微控制器。

如前所述,有源溫度和功率控制對光纖鏈路的可靠性至關重要。 Maxim提供了一個應用筆記,說明了嵌入式處理器需要執行的控制環路,以便將溫度可靠地保持在安全范圍內.2

總結

光纖不僅適用于長距離信號傳輸。現代服務器需要高速,機架到機架的通信,甚至在一個盒子內,信號速度可能決定了對光纖通信鏈路的需求。

無論是在PCB上放置幾個鏈路,還是設計自己的鏈路模塊化解決方案,工程師可以利用嵌入式處理器來保持驅動器和功率參數不變,從而實現更高的可靠性和一致這些處理器也可以作為模塊化設計的一部分,以節省成本或滿足高壓隔離等特殊需求,或者在不降低信號的情況下穿越高EMI/RFI路徑。

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