První článek na téma vláknové optiky a embedded systémů Vláknová optika nastupuje do embedded aplikací se věnoval zejména problematice propojování HPC – výpočetních systémů s velkým výkonem, kde je klíčovou výhodou přenosová kapacita. Tato vlastnost je pro malé embedded aplikace marginální, hlavní přínosy optiky jsou jinde. I zde platí okřídlený termín SWaP – space, weight and power. Když problém s místem přenecháme strojařům a konstruktérům, musíme se podrobněji podívat na power, přesněji spotřebu přenosu.

Spotřeba energie – mantra IoT

Kalkulace napájení je kritická pro všechny embedded systémy. Tam, kde jde o napájení baterií, je to otázka životnosti, v případě napájení ze sítě se kritickým stává zejména chlazení.  U metalického vedení se prosazuje řada variant power over bus, kdy se o napájení nodů nebo senzorů stará sběrnice. I to má své limity a v případě napájení ve více bodech přichází problém vyrovnávacích proudů. Pamětníci si jistě vzpomenou na náchylnost RS-232 k poškození vyrovnávacími proudy.
Optický přenos má zcela jiné energetické nároky. Z elektrického hlediska je bezpotenciálový, na obou koncích je nutné napájet pouze optické transceivery. Jestliže gigabitový optický transceiver vystačí s méně než 100mW, nižší komunikační požadavky sníží také spotřebu. U optických členů pro senzory se tak lze dostat na úroveň jednotek mW, protože je potřeba živit pouze vysílací LED nebo laserovou diodu a optický přijímač. Optický přenos tak uživí i baterie nebo energy harvesting. Stejně spolehlivá metalická alternativa, například jednoduchá sběrnice s galvanickým oddělením bude mít spotřebu řádově vyšší, navíc proměnnou s podmínkami.
U low power aplikací s rádiovou nebo metalickou komunikací proto hraje obrovskou roli testování v reálných podmínkách s velkými požadavky na čas i zahrnutí všech možných faktorů rušení a prostředí. U optického vlákna jsou oproti tomu podmínky ve vedlejší roli.

Limity prostředí

Jednoznačně dominantní pozici má optika v průmyslovém prostředí. Čím horší podmínky, tím více vyniknou klady optiky. Bezpotenciálový přenos dat ze senzorů je ideální pro všechny sektory, kde selhává rádio z důvodu rušení, kde není možné z důvodu provozní bezpečnosti využít metalická vedení, i tam, kde je samotná povaha provozu nepřátelská k elektronice. Jsou to prostředí s indukcí, nebezpečím požáru a výbuchu, s častým výskytem elektrostatických jevů atd. Optický přenos je tak základem moderní a spolehlivé senzoriky pro zařízení VN a VVN, chemický a ropný průmysl, průmyslové pohony a M2M aplikace, dopravu, ale i lékařské přístroje, laboratorní techniku nebo zemědělství. Nesmíme zapomínat ani na výkonové RF aplikace vysílačů. Tyto aplikace mají ještě jeden společný rys. Vždy se najde energie pro provoz senzoru (indukce, kinetická energie, teplo atd.), která uživí samotný senzor, ale z hlediska bezpečnosti neznamená žádné riziko.

V těchto případech se kromě elektrické bezpečnosti prosazuje také přesnost: Optika totiž netrpí zkreslením signálu vlivem okolního prostředí (EMC, teplo, vlhko). U senzorů tak nemůže dojít k ovlivnění hodnot při přenosu a u datových přenosů se výrazně snižuje chybovost, která se ve finále projeví v čase, potřebném pro transfer informace a také ve spotřebě na opakování.

Optické vlákno má také velmi dobrou stabilitu v širokém rozpětí teplot, vlhkosti i při vibracích. I v případě, kdy podle tabulkových hodnot bude mít metalické a optické propojení stejné rozsahy, např. −40 °C až +85 °C a 0 až 90% relativní vlhkosti, nebude mít stejnou odolnost. Když do hry vstoupí venkovní klima, tedy rychlé změny podmínek a kondenzace, má optika navrch. Každý konektor na drátech má dva galvanické spoje a dříve či později se projeví elektrické změny, tedy nárůst odporu nebo úplná ztráta kontaktu. Zatímco zapouzdřené součástky a lakovaný plošný spoj vydrží relativně dlouho, spolehlivost zařízení sníží tak banální věc, jakou je kabelová propojka. V podmínkách našich zeměpisných šířek a venkovních aplikací ve městech a v dopravě je vhodné vzít v úvahu také sůl, která je...zkrátka všude.  

Materiály pro optiku

Technologicky lze vybrat vlákno, které co nejvíce vyhovuje dané specifikaci. Plastová vlákna lépe odolávají mechanickému namáhání, nabízejí menší poloměr ohybu. Skleněná vlákna vynikají lepším přenosem z hlediska délky a chemickou a teplotní odolností. Složitější je volba pláště. Materiálové inženýrství udělalo velký pokrok, takže současné odstupňování teplot plášťě vlákna vypadá takto:

• −40 °C až +150 °C vysokoteplotní akrylát
• −40 °C až +180 °C silikon
• −190 °C to +385 °C polyimid
• <+150 °C ETFE -  ethylen-tetrafluorethylen

Spolu s volbou pláště, vrstveného z plastů, kovu nebo teflonu lze vyhovět široké paletě požadavků, a to i nad úrovní běžných průmyslových standardů. Pro všechna souvrství jsou samozřejmě k dispozici koncové terminály.

Když opustíme prašné a výbušné prostředí průmyslu, optika se ze stejných důvodů prosazuje i uvnitř zařízení i materiálů. Ve srovnání s dobře stíněnou metalikou má daleko menší nároky na prostor a hmotnost, což oceňují zejména designéři a konstruktéři při využití plastů a karbonu. S optikou se tak lze celkem samozřejmě setkat i ve spotřební elektronice, fitness zařízeních a podobně, kde vlákno řeší zároveň výzvy mechanické konstrukce a EMC. Opět se uplatňuje i faktor bezpečnosti. Světlo z miniaturní LED po cestě nic nezapálí.

Trh je připraven

Není nic lepšího, než když sami zákazníci chtějí modernější řešení a raději, než po drátovém zařízení sáhnou po optice. Týká se to i IoT a senzoriky, zde je pár příkladů za všechny:

• Energetika, distribuce a napájecí systémy VN a VVN a senzory, umisťované přímo na živé části. V případě jakéhokoli metalického řešení lze cokoli dělat až po úplném vypnutí a odpojení zařízení, což limituje provoz i možnost hledání chyby. Pár wattů pro senzor se zde vždy najde.
•  Chemický průmysl již ze své podstaty vyhledává zařízení, která eliminují nebezpečí výbuchu. Nové provozy tak mají pro optiku vybudované trasy, včetně bodů pro bezpečné umístění opakovačů.
• M2M aplikace čím dál více spoléhají na embedded systémy a zároveň řeší EMC i další výzvy. Jak spolehlivě a bezpečně propojit řídící počítač s 60kW frekvenčním měničem? Optikou.
• Zemědělství a pěstitelská zařízení – zde se optika začíná prosazovat. Obvyklá řešení IoT s bezdrátovými senzory se zde dostávají na hranice možností prostředí. Časté změny teplot, kdy 80 °C pod střechou skleníku není nic mimořádného, vliv vlhkosti i vibrace konstrukcí, způsobované větrem jsou pro optiku problémem menším, než pro metalické sběrnice.
• Laboratorní a testovací vybavení má z principu oboustranný závazek EMC: Nerušit a nebýt rušen. Optické vazby tak uživatelům zaručují, že bez ohledu na to, jak „čisté“ bude jejich prostředí, data ze senzorů dorazí nezkreslená v hodnotách i  v čase.  

Optika je všude, to je jednoznačně dobrý důvod pro to, udělat krok vpřed. Jestliže optiku používají tisíce aplikací a IT i průmyslové provozy již s trasami pro optiku počítají, není třeba se jí bát.