微控制器與光纖的結(jié)合應用分析

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

　　光纖并不是什么新鮮事物，電信行業(yè)已經(jīng)推動了光纖收發(fā)器和鏈路的開發(fā)和部署，因此它們現(xiàn)在遍布全球。我們很少有設(shè)計需要以如此高的速度穿越長距離。我們當中很少有人有足夠的財力來建立龐大的高速網(wǎng)絡。另一方面，工程師們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)當?shù)氐囊笳谕苿咏饘倩ミB的極限。

　　這是因為對通信的需求不僅僅是計算機中心之間的遠距離布線。通信需求還擴展到機架到機架，甚至是機箱內(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。

　　MCU 上的傳統(tǒng) COM 鏈路足以滿足亞 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。這是銅耗盡蒸汽和纖維開始發(fā)光的地方。

　　本文著眼于工程師在連接微控制器和光纖時面臨的問題和擔憂。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，以及實時跟蹤性能。

　　俯視圖

　　我們可以將微控制器與光纖的結(jié)合分為兩大類。一方面是高端網(wǎng)絡處理器。這些以非常高的速度實現(xiàn)和解碼來自多個數(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。

　　另一方面是較小的專用處理器，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。離散檢測器、發(fā)射器、激光器、光纖連接器和電纜組件當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。當只需要幾個鏈接時，可以在電路板上復制整個通信鏈接。

　　我們的主要嵌入式處理器當然可以存儲和檢索發(fā)射功率水平、接收偏差和熱補償?shù)男蕯?shù)據(jù)。這些可以在上電期間按順序設(shè)置，并作為初始化過程的一部分進行復位。然而，實時跟蹤許多鏈路的性能和動態(tài)調(diào)整通信參數(shù)可能會對中央主機處理器造成影響，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現(xiàn)和盤點，并像復制和粘貼功能一樣復制到新設(shè)計中。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(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。如果采樣和校正周期太少，參數(shù)可能會漂移到引入錯誤的水平。與 1，000 個不同，一個鏈接不是監(jiān)控的負擔。

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

　　這種方法的另一個好處是能夠為您的模塊化收發(fā)器提供外部高精度時鐘。這允許偏差控制和跨多個鏈路的數(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參數(shù)以及執(zhí)行診斷。當光纖鏈路不需要高速時，這些專用處理器還可以用作串行到并行和并行到串行轉(zhuǎn)換器。

　　光纖的一個主要優(yōu)點是電隔離。如果您正在制作的盒子連接到高壓公用線路并需要通信，Industrial Fiber Optics 的廉價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)計用于行業(yè)常見的 1.0 毫米或 1，000 微米芯塑料光纖，通常使用可見光 LED 代替昂貴的激光器。現(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)時候，高數(shù)據(jù)速率將推動對光纖的需求，而塑料則不會。

　　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)境中運行。

　　OEM 還是自己生產(chǎn)？

　　如果我們的設(shè)計需要符合行業(yè)標準協(xié)議并與數(shù)十家不同制造商的設(shè)備互操作，那么 OEM 成品和認證模塊是進入市場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，那么在時間允許的情況下自行設(shè)計將節(jié)省資金。

　　最簡單的控制鏈接是離散變送器。僅傳輸鏈路比收發(fā)器更簡單，基本上是通過數(shù)據(jù)打開和關(guān)閉的可編程激光驅(qū)動器。Analog Devices ADN2830ACPZ32 等分立式激光驅(qū)動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。這些可以報告狀態(tài)，但通常通過偏置電阻器或微調(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)式閾值檢測和增益選擇也可以讓我們的專用或集中式主機處理器控制和調(diào)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 存儲設(shè)置校準的功率水平。請注意使用 FRAM 以提高可靠性。這些 MCU 還可以監(jiān)控溫度并補償功率水平和靈敏度閾值。TI 正在為其處理器積極瞄準光纖網(wǎng)絡

　　。1 當使用多個光纖收發(fā)器組時，降低功耗是一個關(guān)鍵問題，并且 TI 提供了一個關(guān)于低功耗操作和 MSP430 系列特性的培訓模塊。一個概述 PTM 系列也已上線，專注于設(shè)計工具。可用于光網(wǎng)絡的MSP-EXP430FR5739開發(fā)套件也可從 Digi-Key 輕松獲得。

　　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(shè)計用于 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稱為光學微控制器，是一個 16 位微控制器，周圍有一個 13 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有 26 個可復用輸入。

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

　　一個特別好的功能是 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 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?？梢酝ㄟ^芯片的 I2C 端口進行設(shè)置、調(diào)整和覆蓋，并且可以通過使用 JTAG 端口為內(nèi)部處理器開發(fā)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于光纖鏈路的可靠性至關(guān)重要。Maxim 提供了一個應用筆記，說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，光纖不再僅用于長距離信號傳輸?，F(xiàn)代服務器需要高速、機架到機架的通信，即使在一個盒子內(nèi)，信號速度也可能決定了對光纖通信鏈路的需求。

　　無論是在您的 PCB 上放置幾個鏈接，還是設(shè)計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保持驅(qū)動和電源參數(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)計的一部分，以節(jié)省成本或滿足高壓隔離等特殊需求，或在不降低信號質(zhì)量的情況下穿越高 EMI/RFI 路徑。