Firmware-Entwicklung für serielle und GPI-Glasfaser-Transceiver
Der Kunde
Die Lynx Technik AG ist ein deutsches Unternehmen, das hochwertige Produkte für den professionellen A/V- und Rundfunkbereich entwickelt. Lynx entwickelt seine Produkte in Zusammenarbeit mit europäischen und US-amerikanischen Rundfunkanstalten, die bei der Spezifikation der Funktionen und Leistungsniveaus geholfen haben.
Die Herausforderung
Die Firmware-Entwicklung für einen optischen Datentransmitter zur Übertragung von Steuerdaten wie RS232, RS485 und GPI-Kontaktinformationen über eine optische Langstreckenverbindung. Unser Kunde hatte einen Vertrag über die Lieferung von Zehntausenden Geräten, die ursprünglich für Intel entwickelt worden waren, aber aufgrund von Problemen bei der Komponentenlieferung war dieser Vertrag gefährdet. Daraufhin hatte unser Kunde beschlossen, seine Hardware auf eine andere Plattform - Lattice FPGA - zu migrieren, aber das benötigte Dev-Board war nicht lieferbar. Der Kunde wandte sich daher an Promwad als offiziellen Partner von Lattice, um diese Probleme zu lösen.
Die Lösung
Wir haben unseren etablierten Kontakt zu Lattice genutzt, um das Dev-Board vorab zu erhalten: Es wurde umgehend per Kurier an das Ingenieurbüro unseres Kunden in Deutschland geliefert.
1. Konzeptentwicklung
Wir haben die Firmware (FPGA) sowie die Hardware- und Software-Architektur für das zukünftige Gerät entwickelt, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass zwei solcher Geräte Rücken an Rücken verbunden werden können, um eine Brücke für die Signale zu bilden. Das Gerät unseres Kunden basiert auf dem CrossLink-NX FPGA, der ersten FPGA-Familie, die auf der neuen LatticeNexus-Plattform implementiert wurde.
2. Hardware-Design
Das Gerät verfügt über eine RJ45-Buchse mit RS232/422/485-Schnittstelle, wobei jeweils nur ein Schnittstellentyp ausgewählt werden kann.
Die physikalische Schicht ist auf den Multiprotokoll-Transceivern der analogen Geräte implementiert. Zusätzlich verfügt das Gerät über eine RJ45-Buchse mit zwei universellen Eingängen und zwei universellen Ausgängen.
Unsere Hardware-Ingenieure haben ein SFP-Modul verwendet, um Daten über einen optischen Kanal zu übertragen. Der TX-Teil verwendet einen Differentialpuffer mit einstellbarer Ausgangsspannung von TI, um die SFP-Signalpegelspezifikation zu erfüllen.
Zur Steuerung des Geräts über einen PC wurde die MCU mit USB von Microchip Technology verwendet.
3. Softwareentwicklung
Wir waren für die Firmware-Entwicklung des Glasfaser-Transceivers verantwortlich. Die Hauptfunktion des FPGA-Teils besteht in der Umwandlung von optischen Hochgeschwindigkeitsdaten auf einen parallelen Satz von Schnittstellen wie RS232/RS422 und GPIO in beiden Richtungen.
Die Datenübertragung im Projekt wurde folgendermaßen organisiert: “Optische Daten haben eine spezielle Paketstruktur und werden als serieller Bitstrom übertragen. Zunächst werden die empfangenen Daten deserialisiert und ein Paketanfang erkannt. Danach wird das Paket überprüft, und wenn es die richtige Struktur hat, werden die Daten extrahiert und auf Low-Speed-Schnittstellen abgebildet, wo die benötigten Wellenformen erzeugt werden.”
Die folgende Abbildung zeigt die allgemeine Architektur der entwickelten Firmware:
Das gleiche Verfahren wurde für die Datenübertragung in umgekehrter Richtung implementiert: “Die Eingangsleitungen von Low-Speed-Schnittstellen werden auf entsprechende Stellen im Datenwort abgebildet. Dann werden diese Daten mit anderen hinzugefügten Feldern gepackt. Dieses Paket wird serialisiert und an den optischen Hochgeschwindigkeitskanal gesendet.”
Die Firmware wird von einer externen MCU gesteuert, die über die UART-Schnittstelle verschiedene Betriebsmodi auswählen kann.
Der wirtschaftliche Nutzen
Wir haben unseren Kunden bei der Entwicklung eines kostengünstigen optischen Datentransmitters unterstützt, indem wir die Firmware entwickelt haben, die eine Migration der Hardware auf eine andere Plattform (von Intel zu Lattice FPGA) ermöglicht.
Wir haben auch das Problem der Komponentenbeschaffung gelöst: Lattice, als unser offizieller Partner, hat die notwendigen Chips und den IP-Core geliefert und während des Projekts Support geleistet. Auf diese Weise konnte unser Kunde die Massenproduktion der Geräte innerhalb des vorher vereinbarten Zeitrahmens sicherstellen.
Das Endprodukt ist mit einem CWDM-SFP-Modul ausgestattet, das die Einschränkungen bei der Verteilung von Ethernet-, seriellen und GPI-Datensignalen über große Entfernungen überwindet. Es ermöglicht das Multiplexing von bis zu achtzehn optischen Signalen auf einer einzigen Faser über eine Entfernung von bis zu 40 km. Die Module können einzeln oder in einem optionalen Rack-Einbaurahmen verwendet werden.
