基于銅的連接在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)為我們提供了良好的服務(wù)，并且將繼續(xù)在從性能和成本角度來(lái)看有效的應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。然而，對(duì)于超高速和/或長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，使用金屬導(dǎo)體的材料成本和物理信號(hào)限制已經(jīng)引起了人們對(duì)其他傳輸機(jī)制的關(guān)注。

光纖并不新鮮，電信業(yè)推動(dòng)了發(fā)展并部署光纖收發(fā)器和鏈路，使它們現(xiàn)在遍布全球。我們的設(shè)計(jì)中很少有人需要以如此高的速度穿越長(zhǎng)距離。我們中有更少的人擁有足夠的口袋來(lái)建立龐大的高速網(wǎng)絡(luò)。另一方面，工程師現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐囊笳谕苿?dòng)金屬互連的極限。那是因?yàn)閷?duì)通信的需求不僅僅是計(jì)算機(jī)中心之間的長(zhǎng)距離布線。通信必需品也擴(kuò)展到機(jī)架到機(jī)架甚至板對(duì)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鏈路足以滿足子Mbit的需求/秒數(shù)據(jù)速率。然后以太網(wǎng)將我們從10 Mbit/s帶到100 Mbit/s，現(xiàn)在1 Gbit/s鏈路很常見(jiàn)。這是銅耗盡蒸汽和光纖開(kāi)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(shí)面臨的問(wèn)題和關(guān)注點(diǎn)。這包括設(shè)置和控制接收器的激光發(fā)射器功率電平和靈敏度閾值以及實(shí)時(shí)跟蹤性能的基本任務(wù)。

頂部視圖

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(luò)處理器。它們以非常高的速度實(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，而這些部分本身就是一個(gè)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(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)然讓我們將所有光纖元件放在我們自己的電路板上。當(dāng)只需要幾個(gè)鏈路時(shí)，整個(gè)通信鏈路可以在電路板上復(fù)制。

我們的主要嵌入式處理器當(dāng)然可以存儲(chǔ)和檢索發(fā)射功率電平，接收偏置和熱補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)數(shù)據(jù)。這些可以在上電和復(fù)位期間按順序設(shè)置，作為初始化過(guò)程的一部分。然而，跟蹤性能并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整許多鏈路的通信參數(shù)會(huì)對(duì)中央主機(jī)處理器產(chǎn)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(shè)計(jì)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(shí)施和庫(kù)存，并像新設(shè)計(jì)上的復(fù)制和粘貼功能一樣進(jìn)行復(fù)制。在這種情況下，每個(gè)模塊中的小型專用處理器可以實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)控鏈路的性能（圖1）。

圖1：如果中央處理器具有監(jiān)控并快速校正所有光纖鏈路，可以將電平保持在最佳點(diǎn)。如果發(fā)生的采樣和校正周期太少，參數(shù)可能會(huì)漂移到引入誤差的水平。與1，000不同，一個(gè)鏈接不是監(jiān)控的負(fù)擔(dān)。

乍一看，這似乎是浪費(fèi)精力或不必要的冗余。為什么我只能使用一個(gè)小型處理器？這取決于我們需要多少鏈接。一個(gè)鏈接可能不會(huì)從嵌入式控制器中占用太多主機(jī)處理時(shí)間和資源，但可以累計(jì)1，000個(gè)鏈接。體積小，價(jià)格低廉，體積大，預(yù)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(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K化供電帶有外部高精度時(shí)鐘的收發(fā)器。這允許在多個(gè)鏈路上進(jìn)行偏斜控制和數(shù)據(jù)同步傳輸。

在我們的模塊中，基本處理器可以存儲(chǔ)參數(shù)以及執(zhí)行診斷。當(dāng)高速不是光纖鏈路的要求時(shí)，這些專用處理器還可以作為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)是電流電隔離。如果您正在制造的盒子連接到高壓公用設(shè)施線并需要通信，工業(yè)光纖的廉價(jià)塑料光纖是理想的解決方案，特別是如果只需要亞Mbit/s數(shù)據(jù)速率。

較低成本的塑料光纖（圖2）設(shè)計(jì)用于工業(yè)常見(jiàn)的1.0 mm或1，000μm芯塑料光纖，并且通常使用可見(jiàn)光LED而不是昂貴的激光器?，F(xiàn)成的PCB發(fā)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(shù)情況下，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)這樣做。

圖2：低成本的現(xiàn)成塑料光纖鏈路非常適合低速微控制器數(shù)據(jù)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(huán)境中運(yùn)行OEM或自己動(dòng)手？

如果我們的設(shè)計(jì)需要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并與來(lái)自數(shù)十家不同制造商的設(shè)備進(jìn)行互操作，那么對(duì)成品和認(rèn)證模塊進(jìn)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(shè)計(jì)自己的鏈接會(huì)在時(shí)間允許的情況下節(jié)省資金。

最簡(jiǎn)單的控制鏈接是離散發(fā)送器。僅發(fā)送鏈路比收發(fā)器簡(jiǎn)單，基本上是可編程激光驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)數(shù)據(jù)打開(kāi)和關(guān)閉。 ADI公司ADN2830ACPZ32等離散激光驅(qū)動(dòng)器使用平均光功率的閉環(huán)控制，并調(diào)整激光偏壓以維持和監(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)偏置電阻或微調(diào)設(shè)置。

分立光纖接收器填寫收發(fā)器鏈路的另一端;在這里，數(shù)字 - trimpot式閾值檢測(cè)和增益選擇可以讓我們的專用或集中式主機(jī)處理器控制和調(diào)整性能。

示例處理器

幾個(gè)簡(jiǎn)單的專用微控制器可用于我們的傳輸，接收或收發(fā)器模塊或模塊組。德州儀器（TI）MSP430FR5739IRHAR等基本處理器是光收發(fā)器模塊內(nèi)部管理功能的理想選擇，例如用于設(shè)置NovRAM存儲(chǔ)器的校準(zhǔn)功率電平。請(qǐng)注意使用FRAM來(lái)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正積極為其處理器瞄準(zhǔn)光纖網(wǎng)絡(luò)。1

當(dāng)使用多組光纖收發(fā)器且TI提供有關(guān)MSP430系列低功耗操作和功能的培訓(xùn)模塊時(shí)，降低功耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。該系列的概述PTM也在線，因?yàn)樗鼘Ｗ⒂谠O(shè)計(jì)工具。可用于光纖網(wǎng)絡(luò)的MSP-EXP430FR5739開(kāi)發(fā)套件也可從Digi-Key獲得。

Maxim是另一家專門針對(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光學(xué)收發(fā)器，以及PON雙工器和三工器（圖3）。 DS4830被稱為光學(xué)微控制器，是一個(gè)16位微控制器，由一個(gè)13位A/D轉(zhuǎn)換器和26個(gè)可復(fù)用輸入包圍。

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(shí)優(yōu)化功耗并控制主動(dòng)冷卻技術(shù)一個(gè)特別好的功能是8通道，12位緩沖DAC以及基于10通道升壓/降壓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。設(shè)置，調(diào)整和覆蓋可以通過(guò)芯片的I2C端口進(jìn)行，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)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，以便將溫度可靠地保持在安全范圍內(nèi).2

總結(jié)

光纖不僅適用于長(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，甚至在一個(gè)盒子內(nèi)，信號(hào)速度可能決定了對(duì)光纖通信鏈路的需求。

無(wú)論是在PCB上放置幾個(gè)鏈路，還是設(shè)計(jì)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(lái)保持驅(qū)動(dòng)器和功率參數(shù)不變，從而實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和一致這些處理器也可以作為模塊化設(shè)計(jì)的一部分，以節(jié)省成本或滿足高壓隔離等特殊需求，或者在不降低信號(hào)的情況下穿越高EMI/RFI路徑。

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