5G可謂是今年最熱門的科技話題之一,5G的來臨預示著科技萬物互聯(lián)時代的到來。5G是一個大網(wǎng)絡(luò),包含了許多的終端,他們通過無線的方式連接到網(wǎng)絡(luò)。而區(qū)域網(wǎng)需要用有線的方式連接到互聯(lián)網(wǎng),其中光纖通訊是比較典型的互聯(lián)方式,而光模塊又是光纖通訊中非常重要和必不可少的部分。本文將介紹Maxim的MCU在光通訊中的設(shè)計方案。
Maxim深耕光模塊領(lǐng)域
Maxim在光模塊的領(lǐng)域里耕耘了多年,有著對行業(yè)較深的理解。Maxim在光模塊里面有很多的產(chǎn)品,例如MCU,光AFE,ADC,DAC,DCDC,TEC驅(qū)動等等。有大量的客戶已經(jīng)或正在使用Maxim的方案。
MAX32660概述
Maxim推出的MCU,其中,MAX32660是一顆可以滿足現(xiàn)階段光模塊設(shè)計芯片,其主要的功能和特性如下:
高性能:
96MHz內(nèi)置時鐘源
Cortex - M4F內(nèi)核
256KB內(nèi)置Flash
96KB SRAM,低功耗模式下可以選擇是否保持全部數(shù)據(jù)或指定大小的數(shù)據(jù)
16KB 指令高速緩存
內(nèi)存保護單元(MPU)
0.9~1.1V內(nèi)核電壓
1.7~3.6V GPIO電壓操作范圍
工業(yè)工作溫度范圍:-40℃~ +105℃
低功耗:
正常工作時功耗低至85μA/MHz(Flash中執(zhí)行程序)
在VDD=1.8V時,在backup模式功耗只有2uA,并能保持住所有SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)
RTC在VDD =1.8V時功耗只有570nA。
內(nèi)部有80K的內(nèi)置低速時鐘
最優(yōu)外設(shè):
可用GPIO為14個
兩路SPI接口,可以作為master或者slave
兩路UART
兩路I2C,可作為主設(shè)備,可作為從設(shè)備,速度可以高達3.4Mbps
I2S主/從接口
3個32bit的定時器
看門狗定時器
CMOS級32.768KHzRTC輸出
下圖是這顆MCU的內(nèi)部框圖:
從框圖和之前的描述中可以看到,MAX32660主要特點就是高性能,低功耗,小封裝。是一顆符合光模塊設(shè)計的MCU。光模塊一般需要2個I2C接口,一個是和外部連接的I2C slave接口,另一個是和AFE通訊的I2C master接口。
MAX32660在Maxim的MCU家族中是封裝最小,GPIO最少的一顆,但這并不意味著它是一顆弱的MCU,它和其他有著豐富外設(shè)的MCU一樣,有96MHz的高主頻,M4F內(nèi)核。很多客戶認為它是非常適合于少外設(shè),高算法的應用。但光模塊是在要求有處理速度快的同時,也要具備一定的外設(shè)。MAX32660雖然IO口比較少,但是通用的接口都是有的。并實現(xiàn)了最優(yōu)化。
光模塊概述
光模塊(optical module)由光電子器件、功能電路和光接口等組成,光電子器件包括發(fā)射和接收兩部分。
簡單的說,光模塊的作用就是光電轉(zhuǎn)換,發(fā)送端把電信號轉(zhuǎn)換成光信號,通過光纖傳送后,接收端再把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
發(fā)射部分:輸入一定碼率的電信號經(jīng)內(nèi)部的驅(qū)動芯片處理后驅(qū)動半導體激光器(LD)或發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出相應速率的調(diào)制光信號,其內(nèi)部帶有光功率自動控制電路,使輸出的光信號功率保持穩(wěn)定。
接收部分:一定碼率的光信號輸入模塊后由光探測二極管轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)前置放大器后輸出相應碼率的電信號。
下面是光模塊的一個實體圖:
光模塊細分的話可以根據(jù)功能、參數(shù)、封裝等方式分類。在此不進行詳細描述,有興趣的朋友可以上網(wǎng)去了解。
低端的光模塊是直接進行光電轉(zhuǎn)換的,光信號是多高的速率,電信號輸出的就是多高的速率。而有很多速率高的模塊,需要多路的電信號轉(zhuǎn)換為一路光信號,那么就需要用DSP來處理數(shù)據(jù)進行橋接。DSP是一個功耗比較高的器件。
豐富的高性能算法
下面是一個比較典型的光模塊內(nèi)部框圖:
由上圖可以看出,MCU通過I2C管理很多從設(shè)備,同時也需要充當I2C的從設(shè)備和主機通訊。MAX32660的I2C速率可高達3.4Mbps。可以滿足所有host對通訊速率的要求。
框圖中DS3935是Maxim的光模塊專用AFE芯片,有8路ADC,2路TEC控制,還集成了DCDC的驅(qū)動,不少廠家已經(jīng)采用此顆AFE進行設(shè)計。而 MCU,MAX32660搭配DS3935是一個比較完美的組合。
MAX32660通過I2C口來操作DS3935,控制其ADC,TEC驅(qū)動等工作。
TEC是半導體制冷的縮寫,可以看做是一個芯片級別的冷卻劑,在光模塊中起著重要的作用,光模塊發(fā)送部分是由激光(laser)發(fā)射光信號,laser發(fā)光器在工作是需要進行冷卻,以保證其工作的穩(wěn)定性。Laser在工作是要求輸入的電流電壓信號腳精確,需要用ADC來進行監(jiān)視。
可見MCU在整個系統(tǒng)中處于核心的一個功能,有它來協(xié)調(diào)各個其他器件的配合工作。需要具有比較高的處理能力和一定的外設(shè)接口。它需要設(shè)置和監(jiān)視各個功能電路的正常工作,例如和DSP,DS3935進行實時通訊,監(jiān)視DSP和Laser的溫度和電壓電流等。還要對HOST的通訊進行實時的相應。
Maxim MCU光模塊方案
Maxim MCU的主頻比較高,M4F內(nèi)核可以保證這些處理能夠?qū)崟r的處理。
同時,光模塊客戶一般都需要MCU具備在線升級功能,HOST可以通過I2C接口對MCU進行在線升級。Maxim為客戶打造了一個Bootloader,可以直接提供Bootloader源碼。客戶可以選擇使用Maxim提供的Bootloader做設(shè)計,也可以自己設(shè)計Bootloader部分。
為了滿足光模塊的不斷升級和功能的增強,Maxim在后續(xù)也有相應的MCU推出,在MAX32660的基礎(chǔ)上增加了一些功能,例如ADC,GPIO等,增加了Flash和RAM的容量。將會在2020年初發(fā)布。
責任編輯:pj
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