基于STM 32的可变光衰减器的设计*

时间：2024-07-28

[刘斌雷静钟昌锦付益李沼云]

1 引言

可变光衰减器(VOA，Variable Optical Attenuater)是一种光功率控制器件，它的功能是根据需要对光信号功率进行衰减，已在光通信系统中被广泛应用。可变光衰减器主要有机械式和非机械式两种工作方式，近几年的研究工作集中在具有实时可调特性的电调可变光衰减器(EVOA，Electrical Variable Optical Attenunator)，主要有液晶型VOA、磁光VOA、平面光波导VOA、高分子可调衍射光栅VOA和微机械VOA，其中前四者均为非机械式器件，后者为机械式器件。

微机械VOA是目前发展的一个重要方向，它利用成熟的Si微电子工艺且能够实现较大规模的集成，可以获得插入损耗低、衰减量范围较大的VOA，响应时间在亚毫秒和毫秒量级。由于MEMS VOA的小型化、批量化和优良的器件性能使得该类VOA器件成为主流技术。目前，生产VOA的国外厂家主要有：Lightconnect、Avanex、Dicon、JDSU、Bookham、NTT、Kotura、Oplink、Dupont、BATI、AFOP以及Lightwave2020等。在国内，有光迅科技、旭海光电和上海嘉慧光电子等少数公司可提供一些类型的VOA。因此，研制出一款性能指标稳定可靠的光衰减器非常有市场前景。

2 关键芯片及器件设计

可变光衰减器的关键芯片及器件由STM32微处理器、反射式MEMS VOA以及电压输出数摸转换器LTC2642芯片等几部分组成。

2.1 STM 32微处理器

电路选择STM32微控制器作为CUP控制器，STM32微控制器具有以下优点：

（1）使用先进成熟的ARM Cortex-M3内核结构。

① 哈佛结构；

② 1.25DMIPS/MHz和0.19mW/MHz单周期乘法指令和硬件除法指令；

③ Thumb-2指令集以16位的代码密度带来32位的性能；

④ 1.25DMIPS/MHz和0.19mW/MHz；

⑤ 内置了中断控制器，提供优越的实时特性，中断间的延迟时间只需6个CPU周期，从低功耗模式唤醒的时间也只需6个CPU周期；

⑥ 与 ARM7TDMI相比运行速度最多可快35%且代码最多可节省45%。

（2）杰出的功耗控制。STM32经过特殊处理，针对应用中3种主要的能耗要求进行了优化，这3种能耗需求分别是运行模式下高效率的动态耗电机制、待机状态时极低的电能消耗和电池供电时的低电压工作能力。为此，STM32提供了3种低功耗模式和灵活的时钟控制机制，用户可以根据自己所需的耗电／性能要求进行合理的优化。

（3）出众及创新的外设。STM32的优势来源于两路高级外设总线（APB）结构，其中一个高速APB（可达CPU的运行频率），连接到该总线上的外设能以更高的速度运行。

（4）最大程度的集成整合。

① STM32内嵌电源监控器，减少对外部器件的需求，包括上电复位，低电压检测、掉电检测和自带时钟的看门狗定时器；

② 使用一个主晶振可以驱动整个系统。低成本的4～16 MHz晶振即可驱动CPU、USB以及所有外设，使用内嵌PLL产生多种频率，可以为内部实时时钟选择32 KHz的晶振；

③ 内嵌8 MHzRC振荡电路，可作为主时钟源；

④ 额外的针对RTC或看门狗的低频率RC电路。

（5）易于开发，可使产品快速进入市场。使用STM32，用户可以轻松地完成产品的开发，ST（意法半导体）公司提供了完整、高效的开发工具和库函数，帮助开发者缩短系统开发时间。

STM32微处理器外围电路原理图如图1所示。

图1 STM32微处理器外围电路原理图

2.2 反射式MEMS VOA

可变光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)是光纤通信中一种重要的光无源器件，通过衰减传输光功率来实现对信号的实时控制。设计采用反射式MEMS VOA进行光衰减控制。反射式MEMS VOA是基于MEMS芯片封装设计的微小型光器件，设计思路来自于传统机械型VOA，不同的是驱动装置由庞大的步进电机变为静电开合桥、静电梳和翘动结构，压电驱动等，其具有低插入损耗、低功耗、小型化等特点，工作原理如图2所示。

图2 工作原理图

基于MEMS技术的反射式VOA的结构主要分为两部分。一部分是由双芯插针和C透镜等构成的准直器组成，作为光的输入和反射输出通道。可对插针斜面角度、C透镜曲率半径和材料等参数进行优化设计，制作出不同指标要求的MEMS VOA。另一部分是MEMS密封件，通过贴片、金丝键合以及真空封帽等精密工艺将MEMS芯片封装在稳定可靠的密封环境内。外界施加几伏或十几伏的电压到器件的正负引脚后，由于MEMS芯片的特定构造，在硅基镀金面与镀金反射镜面之间产生静电力，驱动MEMS芯片反射面发生微量角度的转动，从而带来入射到MEMS芯片镜面的反射光同步偏移，导致返回光的模场与耦合的单模光纤模场形成失配，产生了衰减。随着施加电压的变化，衰减也相应地变化，连续可调。当正负极间施加反偏电压时，器件仍能正常地工作。实物图如图3所示。

图3 VOA实物图

对于反射式MEMS VOA，入射光束是高斯光束，反射光束也是高斯光束。由高斯光束传播和模场耦合理论，得出单模光纤中传输的光可以近似用高斯波形来描述，其归一化公式是：

ω0是高斯光束的束腰半径，x、y是垂直光传输方向的平面坐标。输入单模光纤的出射光是高斯光束，其主要技术指标参数如表1所示。

表1 反射式MEMS VOA主要技术指标参数

2.3 LTC2642

LTC2642芯片是加利福尼亚州米尔皮塔斯(MILPITAS,CA)-2007年8月6日-凌力尔特公司（Linear Technology Corporation）推出一个完整的低功率、精确16/14/12位非缓冲电压输出数模转换器（DAC）系列。双极性LTC2642仅消耗120 μA电源电流，就满标度阶跃而言，仅用1 μs就能稳定0.5 LSB以内。这些电压输出DAC具有0.5 nV·s干扰脉冲，这对波形产生等AC应用非常关键。低干扰减小了DAC中代码转换之间的瞬变电压。快速稳定和小干扰减小了谐波失真，因此有可能产生更高频率、更低噪声的输出波形。

LTC2642-16具有准确的DC规格，如16位单调分辨率、±2LSB（最大值）INL、±2LSB（最大值）单极性偏移误差和±5LSB（最大值）增益误差。另外，这些 DAC在-40℃至+85℃的工业温度范围内还具有极低的0.1 ppm/℃漂移。因LTC2642具有低偏移和低漂移规格，可以用在精确DC定位系统、增益和偏移调节应用、自动测试设备以及数据采集系统中。

就双极性工作而言，LTC2642具有匹配的调整电阻，用来与LT1678等精确的外部放大器一起使用，以产生±5 V输出摆幅。这些DAC用2.7 V至5.5 V电源工作，每个都具有加电复位电路，在加电时LTC2642复位至中标度。这些DAC通过3线SPI/QSPI/Microwire兼容串行接口，以高达50 MHz的时钟速率通信，可以直接与光耦合器连接，用于需要隔离的应用。

LTC2642有引脚兼容的16位、14位和12位版本。LTC2642采用3 mm×3 mm DFN-10和MSOP-10封装。所有LTC2642都是软件兼容的，非常容易在不同分辨率的双极性输出之间转换，以实现性能/成本优化。

LTC2642性能概要:

① 16位INL误差最大值：在整个温度范围内为–2LSB；

② 0.5 nVs的小干扰脉冲；

③ 1 us快速稳定时间；

④ 120 μA小电源电流；

⑤ 在整个温度范围内保证单调；

⑥ 2.7 V至5.5 V单电源工作；

⑦ 非缓冲电压输出直接驱动60 kΩ负载；

⑧ 50 MHz SPI/QSPI/MICROWIRE兼容串行接口；

⑨ 加电复位将DAC输出清至中标度；

⑩ 直接光耦合器接口的施密特触发器(Schmitt-Trigger)输入；

⑪ 异步#CLR引脚；

⑫ 10引线MSOP和3 mm×3 mmDFN封装。

LTC2642引脚封装如图4所示。

图4 LTC2642引脚封装图

3 以太网接口设计

以太网接口通信功能主要由ENC28J60以太网控制器、HR911105A网络变压器和STM32微处理器组成设计电路实现。

ENC28J60以太网控制器适合于创建占用空间小、成本低和精简的嵌入式网络应用。目前市场上大部分以太网控制器采用的封装均超过80引脚，接线复杂，占用电路板空间大。而符合IEEE802.3协议的ENC28J60只有28引脚，既能提高以太网相应的功能，又大大简化相关设计，并减小占板空间。此外ENC28J60以太网控制器采用业界标准的SPI串口接口，只需4条连线即可与主控单片机连接，与主控制器的通信是通过两个中断引脚和SPI实现，两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示。SPI典型接线方式如图5所示。

图5 SPI总线工作方式

ENC28J60提供了一个内部DMA模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算。这些功能加上免费的TCP/IP软件协议栈，使之成为目前市面上最小的嵌入式应用以太网解决方案。网络变压器HR911105A外围电路接法如图6所示。

图6 HR911105A外围电路接法

ENC28J60以太网控制器与STM32的接法如图7所示。

图7 ENC28J60与STM32接法

电路用RJ-45接口外接水晶头，接入网线即可完成数据交换。ENC28J60初始化命令代码如下。

4 性能测试对比

将设计的光衰减与日本横河（YOKOGAWA）公司光测试系统（型号WT130）进行实际数据测试并对比，波长选择1 270、1 310、1 490、1 550、1 625 nm，衰减值选择0 dB、5 dB、15 dB、25 dB、35 dB、45 dB、55 dB、60 dB，数据测量结果如表2所示。

表2 准确度测试值（单位：dB）

从表2中数据可以看出设计的光衰减器从0 dB衰减至60 dB时，准确度控制在0.1 dB以内，非常适合于商用。