THine Value 可以輕鬆地在廣泛的應用中使用的8B10B Serial transceiver,減少雙向數據通訊佈線,適用於長距離傳輸、光纖化、無線化

2020.02.20
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「為了用監視器監控更長的生產線,我想延長高速interface的傳輸距離。」「我們希望讓高速interface無線化,以便可以將小型終端設備從機器本體分離。」「我們希望使用監視器來監視大約1公里外的地點,所以想把高速interface透過光纖傳輸。」・・・。近來,對於產機、OA機器、以及安防/監視設備等這樣的應用需求已經逐漸增加。會形成這種現象的原因可以說是因為使用CMOS Image sensor的相機變得更輕易使用,再加上物聯網(IoT)的需求搭配下,使得應用各種各樣的sensor進行多地點的測量用途增加吧。

可輕鬆使用transceiver

THine Electronics已經開發出可以輕鬆響應這種需求的Transceiver「THCS251」,並且已開始販售。敝司稱其為Serial transceiver亦或是「8B10B Transceiver」。

這個Serial transceiver IC集結了Transmitter(發送器)以及receiver(接收器)。連接一組IC間的傳輸線僅需兩組差動線,即可實現Uplink與Downlink的功能(圖1)。
 
                                                           圖1使用THCS251的傳輸系統

Uplink與Downlink的數據傳輸速度合計高達4.67G bit /秒。如果frame rate達到30幀/秒,則可以傳送Full HD(1920 x 1080畫素)的影像。而且Uplink與Downlink可以同時傳輸數據。也就是說,並不是是使用一條傳輸線交替進行發送和接收的半雙工通訊,而是全雙工通訊。

這個Serial transceiver IC該如何使用呢?它具備最大35 bit的parallel輸入/出(I/O)端子,通過該端子可以輸入12bit的影像訊號和攝影機控制訊號。也可以輸入I2C訊號。換句話說,透過簡單地輸入高速影像訊號、低速控制訊號、I2C訊號等,內置 Serializer (8B10B Encoding circuit)就可以自動將其Serial化,以兩組差分線進行傳輸與接收。
 
使用者所要做的僅有端子設定。Software開發的相關作業皆不需要。而且,使用上僅需兩個Serial transceiver IC。只需要將它們安裝在要雙向交換數據的板子上,無需在外部再加裝任何IC。

所以只需使用Serial transceiver IC,就可將雙向數據通訊的傳輸距離延長至15m以上。想要光纖化、無線化都非常的簡單。如果在Master端的Serial transceiver IC後端、Slave端的前端連接光收發器模組的話,就可以實現光纖化,並且如果連接無線通訊模組,則可以實現無線化。
 

似有若無的Transceiver IC

可實現雙向數據通訊的佈線減少及遠距離、光纖化、無線化的Serial transceiver IC。並沒有使用特別困難的技術,而是使用過去已知的8B10B編碼/解碼技術。然而,具有相同概念的產品尚未廣泛投入實際使用。 我司表示:「可能有兩個原因」。

其一, 以往的高速interface Transceiver IC或Transmitter IC / Receiver IC的應用目標很明確。也就是說,ASSP(Application Specific Standard Produce)的色彩很鮮明。 也因此幾乎可以說沒有像這次「任何用途都可以使用的通用產品」的想法產生。

另一個理由是,一直以來我們都著重於傳輸線的減少。半雙工通訊的情況下,可減少一組差動線(兩條傳輸線) 。全雙工通訊則是需要兩組差動線(四條傳輸線) 。因此,我們已經習慣使用傳輸線數少的半雙工通訊。 然而,半雙工通訊卻存在光纖/無線化和低速控制訊號的即時傳輸困難等等的問題。 所以,這次我們放棄減少傳輸線的數量,優先解決問題。

過去需要大量的精力和時間

當然,雙向數據通訊的減少佈線、長距離和光纖/無線化的傳輸需求一直以來都有。 這並非現在才開始的事。一直以來大家都是如何對應的呢?

實現的方法大致分為兩個。其中一個方法是使用FPGA。使用FPGA的話,基本上任何要求可以說都能滿足。但前提是需要硬體設計和軟體設計的作業。為了滿足雙向數據通訊中更長距離的需求,需要開發如Protocol迴路處理和物理層迴路之類的硬體,以及開發輸入/輸出設定和Scramble處理之類的軟體。此外,對於遠距離傳輸,還須透過硬體或軟體來實現Equalizer功能。為了全部實行這些作業的話,就需要耗費大量的精力和時間。

另一個方法則是,使用對應高速interface的市售IC來解決此問題。例如:用THine Electronics的「V-by-One® HS」產品,Transmitter IC 和Receiver IC各兩個的話,可以滿足上述要求(圖2(a))。具體來說,在Master側與 Slave側的地方用兩組差動線連接,並各安裝上Transmitter IC 與Receiver IC。這樣一來,就能透過全雙工通訊傳送影像訊號和控制訊號。

 但是,該差動線無法發送I2C訊號。當然也可以選擇搭載對應低速雙向通訊的Sub-Link(一組差分線)功能的device,但是Sub-Link是使用半雙工通訊,因此即使可以對應遠距離, 要使其光纖化和無線化就很不容易(圖2(b))。因此,第二種方法並不能完全滿足需求。
 
                  圖2 使用與「V-by-One®HS」對應的Transmitter/ Receiver IC的系統配置
 
除了THine Electronics,其他Analog半導體製造商也已經將這種對應雙向數據通訊的Transmitter IC/ Receiver IC製品化。因為基本設計都一樣,所以大家存在類似的問題。

除此之外,要選擇使用對應低速的Transceiver IC也不是不行。在這樣的情況下,與THCS251一樣,可以在Master側和 Slave側分別安裝一個Chip來進行配置。但是影像訊號無法傳送。數據傳送速度最多僅為1M bit /秒,所以這個選項也沒有辦法滿足使用者的需求。

提供傳輸距離延長的Demo

THine Electronics準備了一個Demo,以宣傳Serial transceiver IC「THCS251」的實用性。 這次,就讓我們介紹其中之一。

這個Demo是假定應用在FA用途上。攝影機安裝在機械手臂的前端,遠處的操作員在觀看影像的同時邊控制機械手臂(圖3)。Master側和Slave側的板子都搭載THCS251。 每塊板子通過兩組差分線(四條傳輸線)連接(圖4)。
                                                 圖3  Demo的樣子
 
                                              圖四 Demo的系統配置

從Slave側的板子與機械手臂連接。攝影機捕獲的影像訊號由THCS251串行化(Serial),並通過一組差分線(Downlink)發送到Master側。在Master板上,THCS251接收影像訊號並將其反序列化(Deserialize),然後透過Microcomputer board(Arduino板)傳送至電腦並在螢幕上顯示。

另一方面,看著影像的操作員若判斷需控制機械手臂,透過電腦上的軟體進行控制命令的輸入。此時,控制訊號通過USB interface發送到Microcomputer board,轉換為I2C訊號,發送到Master側,並輸入到THCS251。訊號再透過一對差分線(Uplink)發送到Slave側的THCS251,進行反序列化,然後輸入到機械手臂的驅動控制器中。如此一來,就能控制機械手臂的操作。

這個Demo中,我們使用10m的cable連接Master板子和Slave板子。即使使用10m的cable,也可以進行全雙工通訊,因此可以將輸入到電腦的控制訊號幾乎同時地發送到機械手臂以控制操作。即使在遠處,也可以在觀看影像的同時微調機械手臂的動作。
 
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