微控制器与光纤的结合应用分析

　　长期以来，基于铜的连接为我们提供了良好的服务，并将继续在从性能和成本角度来看它有效的应用中这样做。然而，对于超高速和/或长距离信号，使用金属导体的材料成本和物理信号限制已将目光转向其他传输机制。

　　光纤并不是什么新鲜事物，电信行业已经推动了光纤收发器和链路的开发和部署，因此它们现在遍布全球。我们很少有设计需要以如此高的速度穿越长距离。我们当中很少有人有足够的财力来建立庞大的高速网络。另一方面，工程师们现在发现当地的要求正在推动金属互连的极限。

　　这是因为对通信的需求不仅仅是计算机中心之间的远距离布线。通信需求还扩展到机架到机架，甚至是机箱内的板到板，所有这些都将光纤技术推向更高速的设计。

　　MCU 上的传统 COM 链路足以满足亚 Mbit/sec 数据速率。然后以太网将我们从 10 Mbit/s 带到了 100 Mbit/s，现在 1 Gbit/s 链路很常见。这是铜耗尽蒸汽和纤维开始发光的地方。

　　本文着眼于工程师在连接微控制器和光纤时面临的问题和担忧。这包括设置和控制激光发射器功率水平和接收器灵敏度阈值的基本任务，以及实时跟踪性能。

　　俯视图

　　我们可以将微控制器与光纤的结合分为两大类。一方面是高端网络处理器。这些以非常高的速度实现和解码来自多个数据流的协议，通常与 FPGA 结合使用，这些部件本身就是一类。

　　另一方面是较小的专用处理器，它们控制或存在于（或靠近）模块化或分立的发射器、接收器或收发器。离散检测器、发射器、激光器、光纤连接器和电缆组件当然让我们可以将所有光纤元件放置在我们自己的电路板上。当只需要几个链接时，可以在电路板上复制整个通信链接。

　　我们的主要嵌入式处理器当然可以存储和检索发射功率水平、接收偏差和热补偿的校准数据。这些可以在上电期间按顺序设置，并作为初始化过程的一部分进行复位。然而，实时跟踪许多链路的性能和动态调整通信参数可能会对中央主机处理器造成影响，尤其是在需要许多光纤链路的情况下。

　　在后一种情况下，一种可行的方法是设计我们自己的模块或模块化电路块，它可以像任何其他部件一样实现和盘点，并像复制和粘贴功能一样复制到新设计中。在这种情况下，每个模块中的小型专用处理器可以实时跟踪和监控链路的性能（图 1）。

　　

　　图 ：如果中央处理器能够足够快地监控和纠正所有光纤链路，则可以将电平保持在最佳点。如果采样和校正周期太少，参数可能会漂移到引入错误的水平。与 1，000 个不同，一个链接不是监控的负担。

　　乍一看，这似乎是一种浪费的努力或不必要的冗余。当我只能使用一个时，为什么还要有十几个小型处理器？这将取决于我们需要多少链接。一个链接可能不会占用嵌入式控制器太多的主机处理时间和资源，但可以加起来 1，000 个链接。体积小、价格便宜、大批量、封装或什至裸片形式的预编程专用处理器将比模块化光纤设计中的大多数其他组件便宜。

　　这种方法的另一个好处是能够为您的模块化收发器提供外部高精度时钟。这允许偏差控制和跨多个链路的数据同步传输。

　　在我们的模块内部，基本处理器可以存储参数以及执行诊断。当光纤链路不需要高速时，这些专用处理器还可以用作串行到并行和并行到串行转换器。

　　光纤的一个主要优点是电隔离。如果您正在制作的盒子连接到高压公用线路并需要通信，Industrial Fiber Optics 的廉价塑料光纤是理想的解决方案，尤其是在需要亚 Mbit/s 数据速率的情况下。

　　低成本塑料光纤（图 2）设计用于行业常见的 1.0 毫米或 1，000 微米芯塑料光纤，通常使用可见光 LED 代替昂贵的激光器。现成的 PCB发射二极管和接收器光电晶体管可轻松放置在电路板的外围。然而，大多数时候，高数据速率将推动对光纤的需求，而塑料则不会。

　　现成的低成本塑料光纤链路非常适用于可受益于塑料光纤提供的高压隔离的低速微控制器数据速率。这些也可以在高噪音环境中运行。

　　OEM 还是自己生产？

　　如果我们的设计需要符合行业标准协议并与数十家不同制造商的设备互操作，那么 OEM 成品和认证模块是进入市场的最快和最便宜的方式。如果您可以控制链接到链接的特征，那么在时间允许的情况下自行设计将节省资金。

　　最简单的控制链接是离散变送器。仅传输链路比收发器更简单，基本上是通过数据打开和关闭的可编程激光驱动器。Analog Devices ADN2830ACPZ32 等分立式激光驱动器使用平均光功率的闭环控制并调整激光偏置以维持和监控光电二极管电流。偏置控制范围为 4 至 200 mA。这些可以报告状态，但通常通过偏置电阻器或微调设置。

　　离散光纤接收器填充我们收发器链路的另一端；在这里，数字微调式阈值检测和增益选择也可以让我们的专用或集中式主机处理器控制和调整性能。

　　示例处理器

　　几个简单的专用微控制器可用于我们的发送、接收或收发器模块或模块组。德州仪器（TI） MSP430FR5739IRHAR等基本处理器非常适合光收发器模块内部的日常管理功能，例如从其 NovRAM 存储设置校准的功率水平。请注意使用 FRAM 以提高可靠性。这些 MCU 还可以监控温度并补偿功率水平和灵敏度阈值。TI 正在为其处理器积极瞄准光纤网络

　　。¹ 当使用多个光纤收发器组时，降低功耗是一个关键问题，并且 TI 提供了一个关于低功耗操作和 MSP430 系列特性的培训模块。一个概述 PTM 系列也已上线，专注于设计工具。可用于光网络的MSP-EXP430FR5739开发套件也可从 Digi-Key 轻松获得。

　　Maxim 是另一家专门针对光纤通信的制造商，其嵌入式控制器设计用于 SFP+、QSFP、40 G 和 100 G 光收发器以及 PON 双工器和三工器（图 3）。DS4830称为光学微控制器，是一个 16 位微控制器，周围有一个 13 位 A/D 转换器，具有 26 个可复用输入。

　　图 ：16 位嵌入式微控制器专用于保持高速光纤链路的完整性，同时优化功耗和控制主动冷却技术。

　　一个特别好的功能是 8 通道、12 位缓冲 DAC 以及 10 通道升压/降压基于 PWM 的 DC/DC 控制器，分辨率高达 12 位。这允许相当容易地对多个激光器进行精确和快速的功率控制。可以通过芯片的 I²C 端口进行设置、调整和覆盖，并且可以通过使用 JTAG 端口为内部处理器开发自定义代码。

　　Maxim还提供DS4830EVKIT#光学微控制器评估套件，支持整个MAXQ系列嵌入式微控制器。

　　如前所述，有源温度和功率控制对于光纤链路的可靠性至关重要。Maxim 提供了一个应用笔记，说明了嵌入式处理器需要执行的控制环路，以可靠地将温度保持在安全范围内。²

　　总之，光纤不再仅用于长距离信号传输。现代服务器需要高速、机架到机架的通信，即使在一个盒子内，信号速度也可能决定了对光纤通信链路的需求。

　　无论是在您的 PCB 上放置几个链接，还是设计您自己的模块化解决方案，工程师都可以利用嵌入式处理器来保持驱动和电源参数不变，从而获得更高的可靠性和一致的性能。这些处理器也可以成为您模块化设计的一部分，以节省成本或满足高压隔离等特殊需求，或在不降低信号质量的情况下穿越高 EMI/RFI 路径。