微控制器和光纤的分类及应用设计

基于铜的连接在很长一段时间内为我们提供了良好的服务，并且将继续在从性能和成本角度来看有效的应用程序中实现这一目标。然而，对于超高速和/或长距离信号传输，使用金属导体的材料成本和物理信号限制已经引起了人们对其他传输机制的关注。

光纤并不新鲜，电信业推动了发展并部署光纤收发器和链路，使它们现在遍布全球。我们的设计中很少有人需要以如此高的速度穿越长距离。我们中有更少的人拥有足够的口袋来建立庞大的高速网络。另一方面，工程师现在发现当地的要求正在推动金属互连的极限。那是因为对通信的需求不仅仅是计算机中心之间的长距离布线。通信必需品也扩展到机架到机架甚至板对板，所有这些都将光纤技术推向更高速的设计。

MCU上的传统COM链路足以满足子Mbit的需求/秒数据速率。然后以太网将我们从10 Mbit/s带到100 Mbit/s，现在1 Gbit/s链路很常见。这是铜耗尽蒸汽和光纤开始闪耀的地方。

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关注点。这包括设置和控制接收器的激光发射器功率电平和灵敏度阈值以及实时跟踪性能的基本任务。

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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。它们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，而这些部分本身就是一个类。

另一方面是控制或生活在其中的较小的专用处理器（或靠近模块化或离散的发射器，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将所有光纤元件放在我们自己的电路板上。当只需要几个链路时，整个通信链路可以在电路板上复制。

我们的主要嵌入式处理器当然可以存储和检索发射功率电平，接收偏置和热补偿的校准数据。这些可以在上电和复位期间按顺序设置，作为初始化过程的一部分。然而，跟踪性能并实时动态调整许多链路的通信参数会对中央主机处理器产生影响，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，可以像任何其他部件一样实施和库存，并像新设计上的复制和粘贴功能一样进行复制。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1：如果中央处理器具有监控并快速校正所有光纤链路，可以将电平保持在最佳点。如果发生的采样和校正周期太少，参数可能会漂移到引入误差的水平。与1，000不同，一个链接不是监控的负担。

乍一看，这似乎是浪费精力或不必要的冗余。为什么我只能使用一个小型处理器？这取决于我们需要多少链接。一个链接可能不会从嵌入式控制器中占用太多主机处理时间和资源，但可以累计1，000个链接。体积小，价格低廉，体积大，预编程的封装或甚至裸片形式的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模块化供电带有外部高精度时钟的收发器。这允许在多个链路上进行偏斜控制和数据同步传输。

在我们的模块中，基本处理器可以存储参数以及执行诊断。当高速不是光纤链路的要求时，这些专用处理器还可以作为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流电隔离。如果您正在制造的盒子连接到高压公用设施线并需要通信，工业光纤的廉价塑料光纤是理想的解决方案，特别是如果只需要亚Mbit/s数据速率。

较低成本的塑料光纤（图2）设计用于工业常见的1.0 mm或1，000μm芯塑料光纤，并且通常使用可见光LED而不是昂贵的激光器。现成的PCB发射二极管以及接收器光电晶体管可轻松放置在电路板的外围。然而，大多数情况下，高数据速率将推动对光纤的需求，而塑料则不会这样做。

图2：低成本的现成塑料光纤链路非常适合低速微控制器数据速率，可以受益于塑料光纤提供的高压隔离。这些也可以在高噪声环境中运行OEM或自己动手？

如果我们的设计需要符合行业标准协议并与来自数十家不同制造商的设备进行互操作，那么对成品和认证模块进行OEM制造是最快，最便宜的上市方式。如果您可以控制链接到链接的特性，那么设计自己的链接会在时间允许的情况下节省资金。

最简单的控制链接是离散发送器。仅发送链路比收发器简单，基本上是可编程激光驱动器，通过数据打开和关闭。 ADI公司ADN2830ACPZ32等离散激光驱动器使用平均光功率的闭环控制，并调整激光偏压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或微调设置。

分立光纤接收器填写收发器链路的另一端;在这里，数字 - trimpot式阈值检测和增益选择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传输，接收或收发器模块或模块组。德州仪器（TI）MSP430FR5739IRHAR等基本处理器是光收发器模块内部管理功能的理想选择，例如用于设置NovRAM存储器的校准功率电平。请注意使用FRAM来提高可靠性。这些MCU还可以监控温度并补偿功率水平和灵敏度阈值。 TI正积极为其处理器瞄准光纤网络。¹

当使用多组光纤收发器且TI提供有关MSP430系列低功耗操作和功能的培训模块时，降低功耗是一个关键问题。该系列的概述PTM也在线，因为它专注于设计工具。可用于光纤网络的MSP-EXP430FR5739开发套件也可从Digi-Key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光学收发器，以及PON双工器和三工器（图3）。 DS4830被称为光学微控制器，是一个16位微控制器，由一个13位A/D转换器和26个可复用输入包围。

图3：16位嵌入式微控制器是致力于保持高速光纤链路的完整性，同时优化功耗并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以及基于10通道升压/降压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。设置，调整和覆盖可以通过芯片的I²C端口进行，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，以便将温度可靠地保持在安全范围内.2

总结

光纤不仅适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，甚至在一个盒子内，信号速度可能决定了对光纤通信链路的需求。

无论是在PCB上放置几个链路，还是设计自己的链路模块化解决方案，工程师可以利用嵌入式处理器来保持驱动器和功率参数不变，从而实现更高的可靠性和一致这些处理器也可以作为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，或者在不降低信号的情况下穿越高EMI/RFI路径。

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