THine Value 可在广泛应用中轻松使用的8B10B Serial transceiver,减少双向数据配线,面向于远距离化、光纤化、无线化

2020.02.20
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「为了监控更长的生产线,我想延长高速接口的传送距离」「想让高速接口无线化,这样一来小型终端设备就可以与设备本体分离」「为了监控大約1公里外的地点,需要把高速接口光纤化」・・・。 最近,在产业设备和OA设备以及安防、监控设备等用途上,如上的这些需求正在不断增加。其原因可以说是因为使用CMOS图像传感器的摄像头能被更轻易地使用,以及IoT(物联网)的强化使需要用各种各样的传感器对多地点进行测量的用途增加了。

可轻松使用的transceiver

THine Electronics开发出了可轻松对应这种需求的transceiver「THCS251」,并已开始销售。我们称其为「Serial transceiver」或是「8B10B transceiver」。

这一串行收发器IC在1个芯片上集结了transmitter(发送器)以及receiver(接收器)。连接一组IC间的传输线仅需2组差动线,即可实现上行线路(上行)与下行线路(下行)的功能(图1)。
 
图1 使用THCS251的传输系统

上行与下行的数据传送速度合计最大达到4.67GB/秒。如果帧率达到30帧/秒,则可传送Full HD(1920 x 1080像素)的影像。而且上行与下行线路可以同时传送数据。也就是说,并不是使用同一条传输线交替进行发送和接收的半双工通讯,而是实现了全双工通讯。

这个Serial transceiver IC要如何使用呢?它具备最大35 bit的并行输入/输出(I/O)端子,通过该端子可以输入12bit的图像信号和摄像头用控制信号。也可以输入I2C总信号。换言之,只需通过输入高速图像信号、低速控制信号、I2C总信号等,内置串行器(8B10B编码电路)就可以自动将其串行化,以2组差动线进行传送与接收。
 
用户所要做的只有端子设定。无需任何软件开发。而且在使用上也仅需2个Serial transceiver IC。只需要将它们安裝在要双向交换数据的板子上即可,无需在外部再加裝任何IC。

使用这一Serial transceiver IC,就可将双向数据通讯的传送距离延长至15m以上。想要光纤化和无线化也非常简单。在制动端只需在Serial transceiver IC的后段;而从动端则在前段,连接光收发器模组就可实现光纤化;连接无线通讯模组则可实现无线化。

若有似无的Transceiver IC

Serial transceiver IC可简单实现双向数据通讯的布线减少及远距离化、光纤化和无线化。我们并沒有使用特別困难的技术;而是使用已知的8B10B编码/解码技术。然而,具有相同理念的产品至今并未被广泛投入实际使用。 我们认为:「可能有2个原因」。

其一, 以往的高速接口用Transceiver IC或Transmitter IC/Receiver IC的应用目标很明确。也就是说,ASSP(Application Specific Standard Produce)的色彩很鲜明。 也因此几乎沒有像这次这样想要去制作「任何用途都可以使用的通用产品」的想法产生。

另1个理由是一直以来我们都着重于传输线的减少。半双工通讯可减少一组差动线(2条传输线) ;而全双工通讯则需要两组差动线(4条传输线) 。因此,我们偏向于使用传输线数量更少的半双工通讯。然而,半双工通讯却存在难以光纤化/无线化和低速控制信号的实时传输困难等问题。 所以,这次我们放弃减少传输线数量,而优先解决这些问题。

过去需要大量的精力和时间

当然,对双向数据通讯的减少布线和远距离化、光纤化/无线化的需求一直以来都有,并非现在才开始。那一直以来大家都是如何对应的呢?

实现的方法大致分为两种。其中一个方法是使用FPGA。使用FPGA基本上就能满足任何要求。当然前提是需要完成硬件和软件的设计。要满足双向数据通讯的远距离化要求,需要开发协议处理回路和物理层回路等硬件、以及输入/输出设定和加密处理等软件。而且为了实现远距离传输,还需要通过硬件或软件实装来实现均衡器功能。要全部实行这些操作需花费大量的精力和时间。

而另一个方法则是使用对应高速接口的市售IC来解决此问题。例如:使用THine Electronics的产品的话就是对应「V-by-One® HS」的Transmitter IC 和Receiver IC各两个,即可满足上述要求(图2(a))。具体就是在制动侧与从动侧分别实装上Transmitter IC 和Receiver IC,用2组差动线连接。这样一来就能使用全双工通讯传送影像信号和控制信号。

但是,该差动线无法传送I2C总信号。当然我们也可以选择搭载了能对应低速双祥通讯的Sub-Link(1组差动线)功能的固件,但是由于Sub-Link是使用半双工通讯,即使可以对应远距离化要求,也很难使其光纤化和无线化(图2(b))。因此,第二种方法并不能完全满足需求。
 
图2  使用「V-by-One® HS」对应的Transmitter/Receiver IC的系统构成

除了THine Electronics,也有几家模拟半导体制造商已将这种对应双向数据通讯的Transmitter IC/ Receiver IC成品化。因为基本设计都一样,所以大家都存在着同样的问题。

此外,要选择使用对应低速的Transceiver IC也不是不行。这样一来,只需与THCS251一样在制动侧和从动侧分别安装一个芯片即可完成配置。但它无法传送影像信号。因为它的数据传输速度最多仅为1MB/秒。所以这个选项也无法满足用户的需求。

提供可延长传送距离的Demo

为了让大家都能了解Serial transceiver IC「THCS251」的实用性,THine Electronics准备了展示用Demo。 这次就来介绍一下其中的一个demo。

这个Demo是假定应用在FA用途上的。摄像头安装在机械手臂前端,操作员在远处边观看拍摄的影像边操控机械手臂(图3)。在制动侧和从动侧的板子上都装载了THCS251。 每块板子通过2组差动线(4条传输线)连接(图4)。
图3 Demo的样子
 
图4 Demo的系统构成

从动侧的板子与机械手臂相连接。摄像头拍摄到的影像信号由THCS251串行化(Serial)、并通过1组差动线(下行)传送到制动侧的板子上。在制动侧的板子内,THCS251接收到影像信号后将其並反序列化(Deserialize)后,再通过微计算机插件(Arduino板)传送至电脑后在显示器上显示。

操作员通过观看影像,若判断需要控制机械手臂,就可在电脑软件中输入控制命令。然后控制信号就会通过USB接口传送微计算机插件上,转换为I2C信号后再传送到制动侧,并输入到THCS251。然后再通过1组差动线(上行)传送到从动侧的THCS251,反序列化后再输入到机械手臂的驱动控制器中。这样一来就能控制机械手臂的操作。

这个Demo中,我们使用10m的线来连接制动侧的板子和从动侧的板子。即使使用10m长的线,由于是全双工通讯,仍然可以将输入电脑的控制信号几乎同时地传送到机械手臂以控制其操作。也就是说即使在远处,也可以在观看影像的同时对机械手臂的动作进行微调。

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