低端的光模塊為什么是直接進行光電轉(zhuǎn)換的？

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

內(nèi)部集成LDO，單電源供電

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

4通道標準DMA控制器

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。
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