一种光交换机中阵列光收发模块的智能温控方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体来说，涉及光交换机的阵列光收发模块的高精度温度探测与控制技术。

背景技术

光交换机是整个光通信系统的信息处理枢纽，是未来光通信领域必不可少且应用广泛的重要器件之一。在工程应用中，光交换机中光收发模块的温度特性是影响光交换机对光信号接收和发送准确性及稳定性的一项关键因素。要使光交换机在任何恶劣的温度环境下能正常稳定的工作，则需要对光交换机中的光收发模块进行高精度、快响应的温度控制。

目前实现系统温控的方法主要有以下几种：

1、采用模拟技术，主要有温度传感器，电压放大器，负反馈电路，制冷器等，其温控原理是：通过温度传感器将温度转换成电压信号，经电压放大器放大后经过负反馈电路输出控制信号，从而控制制冷器工作，最终实现温度控制。这种温度控制精度和响应度都比较差，一般是用在对温度要求不高的地方，比如工业中的应用。

2、采用算法电路，基本与上述方法相同，只是将负反馈电路变为算法电路，如在2008年6月18日公开的，公开号为CN 101201636A，发明名称为“高稳定度恒温控制器”的专利，该专利是应用于大功率激光二极管的恒温控制，采用了模拟PI控制，通过热敏电阻和TEC对温度进行采集和控制，温度控制范围达到0～80℃。

3、采用数字技术，通过温度传感器将温度信息转变成数字信息，并传输到中央控制单元，如单片机、数字信号处理(DSP)等，经中央控制单元内部的程序计算后输出控制量，从而实现温度控制。在这种技术中又可分为两种：其一是在温度转换中，采用模拟式温度传感器，将温度信息转换为模拟信号，经过A/D转换器转换成数字信号，再输入到控制单元，进行数据处理后输出控制量来对温度进行控制，如在2008年5月7日公开，公开号为CN101174155A，发明名称为“半导体激光器温度控制系统”的专利，该专利就是应用单片机对温度控制信息进行处理的。其二是在温度转换中，采用数字式温度传感器，将温度信号直接转换为数字信号传输到控制单元，从而进行温度控制。[余军，王彦瑜。基于MSP430单片机和DS18B20的多分支多通道精密温度测量系统研究。核电子学与探测技术，2008，11，1238-1238]。

以上的温度控制技术应用于光交换机中的光收发模块，存在诸多不足之处：

其一、采用模拟电路进行温度控制，其精度不高，而且进行较大温度差的控制时，响应速率比较差。如果其应用在多点温度控制时，集成性差，很难应用到具有多端口的光交换机系统中，即多点温度控制系统。

其二、测温元件采用模拟温度传感器，为了获得较高的测温精度，就必须考虑器件工艺、长线传输及放大电路零点漂移等产生的误差。目前解决模拟温度传感器的测量误差，一般采用了补偿电路，但实现费用较高，且补偿电路不能完全消除由于器件工艺等产生的 测量误差。

其三、测温元件采用数字温度传感器，其准确性可以得到一定的保证，但由于数字温度传感器的最高精度为12位，即温度信号最多能转化为12位二进制的数字信号，其固有的特性不能得到更精确的温度测量数据，且应用到多点控制系统中的成本较高。

其四、目前的各种温度控制系统，其温度控制范围比较窄，最大范围为-40～100℃，不能满足一些特殊情况的应用，如温度变化范围为-55～120℃，且精度都不高。

其五、目前的各种温度控制系统，基本都是单点控制，很难应用于多点温度控制系统中，对更多点的温控扩展性较差。

因此，克服上述温度控制方法的不足，本发明提供一种应用于光通信中光交换机的多点温度检测与控制的方法，该方法对光交换机走向工程化非常重要，下面将对本发明进行详细说明。

发明内容

本发明的内容在于克服上述温度控制方法的缺陷，提供一种应用于光交换机的基于现场可编程门阵列(FPGA)多点智能温度控制方法。该方法具有高精度、低功耗、高效率、可实现多点温度测控和实时显示、报警功能、可扩展性、友好的人机接口及与上位PC机间串行通信的功能等。

为了方便的描述本发明的内容，对一些专业术语进行描述：

FPGA(Field Programmable Gate Array)：现场可编程门阵列；

Verilog HDL(Verilog Hardware Discription Language)；Verilog硬件描述语言；

A/D(Analog/Digital)：模拟/数字；

D/A(Digital/Analog)：数字/模拟；

PID(Proportion Integration Differentation)：比例积分微分；

PI(Proportion Integration)：比例积分；

Fuzzy-PID：模糊-比例积分微分；

Fuzzy-PD：模糊-比例微分；

TEC(Thermoelectric Cooler)：半导体制冷器；

LCD(Liquid Crystal Display)：液晶显示器；

PC(Personal Computer)：个人计算机；

DSP(Digital Signal Processing)：数字信号处理；

PT100：铂热电阻(PT后的100表示这个型号的电阻在0℃时阻值为100欧姆)。

本发明的技术方案如下：

本发明是多点智能温控方法，其方法可应用到光交换机中的阵列光收发模块，本发明的具体步骤为：

第1步：在光交换机中的每个光收发器件上设置一个温度传感器PT100，直接实时采集各个光收发模块工作时的温度模拟信号，再通过模拟放大器对该模拟信号进行放大处理；

第2步：已经放大的模拟信号经过A/D转换器后，输出转换后的数字信号；

第3步：转换后的数字信号送入FPGA芯片内，与已设定的标准温度数据进行比较，并通过FPGA内部的温度控制算法进行数据处理，得到用于调节温度的控制量；

第4步：该温度控制量经过D/A转换器后，输出正或负的温控电压模拟量；

第5步：该温控电压模拟量经TEC驱动电路后，加载到粘结在各个对应的光收发模块上的TEC，实现温度控制操作，最终完成对光交换机上多个光收发模块的高精度温度闭环控制，比如光交换机的32个光收发模块的温度控制。

应用于光交换机中阵列光收发模块智能温控方法的特征在于，其主要包括温度探测控制模块和智能温度控制模块。温度探测控制模块上主要包括温度传感器，电压放大器，TEC驱动电路和半导体热电制冷器，其固定在光交换机的阵列光收发模块上，并在TEC上安装有散热片使其工作更稳定。智能温度控制模块包括中央处理器FPGA，FPGA配置芯片，与FPGA连接的8通道16位D/A转换芯片和8通道16位A/D转换芯片，键盘和液晶显示器等。本发明的工作流程是温度传感器探测的温度信号经过电压放大器放大到A/D转换芯片所需要的电压，该放大后的温度探测信号经过A/D转换芯片转换成数字信号传输到FPGA中，经过FPGA内部的温度控制程序得到控制温度的控制信号，FPGA处理过的温度控制信号经过D/A转换芯片转换成模拟控制信号，该信号传输到TEC驱动电路实现对半导体热电制冷器进行驱动，从而实现了对光交换中阵列光收发模块的温度控制。

上述的温度探测和控制模块粘接在光收发模块上，其中温度传感器用导热硅胶粘接在光收发模块中光发射机和光探测器所在位置的外侧，半导体制冷器用导热硅胶粘接在光收发模块的上侧，并在半导体制冷器上用导热硅胶粘接散热片使其更稳定的工作。

本发明特点是在光收发模块稳定工作的特定温度下，将温度传感器得到的信号经过放大电路传输到A/D转换芯片，将转换后的数字信息记录到FPGA中作为标准数据，各路的数据可以不同；在工作状态下，通过温度传感器PT100和放大电路得到的信号经过A/D转换芯片得到数字信息，该信息与已测得标准温度信息在FPGA中经过温度控制算法处理得到温度控制量，该控制量经过D/A转换芯片转换成模拟控制信号通过TEC驱动电路来控制半导体制冷器，从而实现对光收发模块的温度控制。由于每个A/D转换芯片是同时工作的，其可以快速处理各路的温度信号，并可根据选择可在LCD上实时显示所需要的各个模块的温度信息。

本发明的有益效果

本发明可实现对光交换机的阵列光收发模块的高精度实时的温度测量、显示与控制；并且可以最大程度的减少温度采集时的误差，快速实现对由多个光收发模块组成的阵列光收发模块进行温度控制；在光交换机不能正常工作的情况下，该系统可以实现报警功能；本发明具有温控精度和可靠度高的优势，可以使光交换机在恶劣环境下也能正常稳定工作，且温控范围较大，如可以实现温度范围为-55～125℃，且具有良好的扩展性，即应用于更多点的温度探测控制，具有广泛的应用前景。

附图说明

图132端口的光交换机示意图。

图2光交换机中阵列光收发模块的智能温控系统示意图。

图3光交换机中单点温度控制的示意图。

图4阵列光收发模块智能温控的工作原理图。

图5阵列光收发模块智能温控的FPGA芯片工作流程图。

图6阵列光收发模块智能温控中Fuzzy-PID控制流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明应用于光交换机的阵列光收发模块的温控系统作进一步详细的说明。

图1是32端口的光交换机示意图。图1中的编号1～32是表示光交换机中的32个光收发模块，其工作方式如下：光信号首先输入到输入端的光收发模块，经过该模块中的光接收机将光信号转换为电信号，再通过配置好的交换机完成信号的交换，交换到输出端的一个光收发模块，通过该输出模块中的光发射机完成电光转换并输出，实现光信息在光交换机中的交换。例如当第1路光信号输入到光收发模块1，首先经过该模块中的光接收机接收光信号完成光电转换，再将转换后的信号传输到交换模块中，在交换模块中通过传输信号的配置信息判断该信息交换到哪一个输出端口，即这个信号要从那一路输出，例如假定从第32路输出，则将这个信号交换到第32个光收发模块，该路信号经过第32个模块中的光发射器进行电光转换，转化后的光信号通过连接在第32个输出端口的光纤进入到光纤传输信道。同样也可能有其他路的信号需要传输到第1号端口，经过模块1的光发射器进行电光转换。图1中所示的1～32个模块需要具备光接收和光发送两个功能，即光收发一体的模块。由于光收发模块的工作温度对其信号转换的效率与有效性影响较大，因此，解决温度变化对整个系统的影响是光交换中的关键问题之一。

图2是光交换机中阵列光收发模块的智能温控系统示意图。如图2所示，该系统中的最低层是光交换机，其上是FPGA智能温度控制系统，该系统主要完成对光交换机的每个光收发模块的温度采集和控制功能。图2中的编号33到64是粘结在光交换机的32个光收发器件上的温度探测和控制模块，这些模块连接在智能温度控制模块上，由于该系统具有可扩展性，因此可以控制更多点的温度，如64×64端口的光交换机。其中FPGA智能温度控制模块中采用4个8通道16位A/D转换芯片和4个8通道16位D/A转换芯片，使整个系统能更快速准确的采集到各个光收发模块的温度信息，并进行温度的实时控制。在FPGA智能温度控制模块中还包含LCD、键盘及用于PC机连接的串行通信模块，使其具有友好的人机交互功能。

图3是光交换机中单点温度控制的示意图。该方案中主要包括温度探测器65，半导体制冷器66，散热器67。在光交换机中，光收发模块中的光探测器和光发射器对工作温度最敏感，。又由于光发射器件工作时，会因自身功率产生热量导致其温度变化较大，且光发射器件对温度的敏感性远大于光接收器件，所以在本发明中，将温度探测器用导热硅胶粘结在光收发模块中的光发射器所在的侧面，实现及时准确的对光收发模块的温度采集。半导体制冷器和散热器采用导热硅胶粘结在光收发模块上侧，实现对光收发模块温度快速准确的控制。

图4是阵列光收发模块智能温控的工作原理图。本发明是应用于光交换机中的阵列光收发模块的温控系统，其主要由温度探测及电压放大模块、8通道16位A/D转换模块、中央处理模块、8通道16位D/A转换模块、TEC及其控制电路、串口通信模块、键盘、警报器、显示器LCD及FPGA配置模块组成。其中图4中的虚框图表示了本发明所具有的温度显示功能和警报功能，在显示器LCD中可显示阵列光收发模块的标号及实时显示阵列光收发模块的温度，其中各个阵列光收发模块的温度显示可以通过键盘操作实现。在本发明中，如果某一路的阵列光收发模块的工作温度超过其正常工作温度范围时，就会触发警报，且显示器会持续显示该路阵列光收发模块的实时工作温度。图4所示的阵列光收发模块智能温控系统，其特征一在于，FPGA配置模块在系统启动时完成对中央处理模块的配置，即中央处理模块能够根据设计的要求正常工作。通过键盘输入控制系统的开启和复位，并为中央处理 模块提供当前的按键状态，中央处理模块通过串口通信模块与PC机进行串口通信。其特征二在于，由于FPGA的可重复擦写性，在温度探测及电压放大模块中采用了PT100作为温度传感器，并在标准工作温度25℃时测得每个传感器经过D/A转换模块后传输到FPGA中的数据作为温度参考数据，各路的温度参考数据可以不同，且可以根据需要进行更改，从而减少由于电路缺陷导致的温度探测误差。比如在标准温度25℃时，第1路温度探测信号由于电路的各种误差传输到FPGA中的数据对应的可能就是24.5℃，那就把24.5℃作为标准温度信号来进行温度控制计算，其他各路温度探测信号传输的FPGA中可能各不相同，本发明就把每路在25℃传输到FPGA中的信息作为标准温度信号，这样就避免了由于电路缺陷所带来的温度探测误差，提高了整个系统的准确性。其特征三在于，在工作时温度探测器采集到阵列光收发模块的实时温度，采集到的温度信息通过放大器放大后再经过A/D转换进行数据转换，并将转化后的数字信息传输到中央处理模块中，该数字信息将根据要求在显示器LCD上显示，并与标准温度信号经过内部的温度控制算法计算得到温度控制信息，该信息输入到D/A转换模块中进行数据转换，转化后的模拟信息输入到TEC及其控制电路模块中，最后实现对阵列光收发模块的温度控制。其特征四在于，本发明中采用了8通道16位D/A转换芯片和8通道16位A/D转换芯片，减少了多点测量控制切换所带来的误差和延迟，这4对D/A和A/D转换芯片在FPGA控制下是同时工作，且中央处理模块控制的每一对A/D和D/A转换芯片形成的8路闭环温度控制系统进行流水线操作，流水线操作即在同一时刻第1通道工作在D/A转换，第2通道工作在进行温度控制信号的计算，第3通道工作在温度探测信号的读入等，这种方式比循环处理(循环处理是第1通道的温度控制信号处理完之后再进行第2通道的温度控制信号的处理，循环到第8通道信号后再进行第1通道信号的处理)更快，效率更高。该系统可以更实时快速地实现对各个阵列光收发模块的温度控制。

本发明应用了FPGA芯片EP2C5F256C6N作为整个控制系统的核心控制芯片，用以控制D/A转换芯片、A/D转换芯片、键盘、显示屏LCD及串口通信模块等正常工作。在该芯片中，应用Verilog HDL编写各个外围器件的控制电路和温度控制模块，在该模块中通过对A/D转换芯片采集的数据和已输入的标准参考数据通过控制算法进行比较，再将数据输入到D/A转换模块中，该温控算法是采用了Fuzzy-PID控制算法，最后通过TEC及其控制电路实现对阵列光收发模块的温度控制。

下面对Fuzzy-PID控制算法作进一步说明：PID控制算法是一种比例积分PI、微分并联的控制算法，也是应用最为广泛的一种自动控制算法，它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。PID的数学模型可以用下式表示：

$u\left(t\right)=K_P[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\int e\left(t\right)·\mathrm{dt}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(1\right)$

其中：u(t)——控制器的输出；

e(t)——控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；

KP——控制器的比例系数；

Ti——控制器的积分时间；

Td——控制器的微分时间。

在本发明中是以FPGA为核心的控制系统，对输入和输出状态进行实时采样，因此该系统是离散时间控制系统即是数字信息处理DSP系统。当采样周期T足够短时，可以用求和代替积分，用差商代替微分，使PID控制算法离散化，之后用u(t)减去u(t-1)，即得到在本发明中采用的增量式PID控制算法，其公式如下：

$\mathrm{\Delta u}\left(k\right)=K_P\{e\left(k\right)-e(k-1)+\frac{T}{T_i}e\left(k\right)+[e\left(k\right)-2e(k-1)+e(k-2)\left]\right\}---\left(2\right)$

其中：T——采样周期。

由于PID控制算法中，不同的系数会产生不同的控制效果。为了得到更快速稳定的控制效果，本发明还采用了模糊(Fuzzy)控制，用模糊推理来自动实现对PID参数的最佳调整，这样使得整个控制核心既有模糊控制的灵活和适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。

图5是阵列光收发模块智能温控中Fuzzy-PID控制流程图。首先系统对A/D转换芯片传输来的数据与标准温度信号计算出当前的偏差E和偏差变化率EC，再根据设定的模糊控制参数进行E和EC的模糊化，并查对应的模糊控制表，得到模糊控制量所对应的KP，KI，KD的值，最后采用增量式PID控制算法计算得到D/A应输出的数据量。这样就实现了整个系统对温度的Fuzzy-PID控制。

图6是阵列光收发模块智能温控的FPGA芯片工作流程图。首先，FPGA开始初始化后判断A/D芯片是否得到有效温度(表示为T)数据，当A/D芯片输入有效数据时，读取到当前的有效探测数据否则返回等待有效数据的输入；这个读入的有效数据将在LCD中显示，并与FPGA内部已经设定的标准温度(表示为Tc)比较并计算其差值。通过这个差值的大小来判断系统的工作方式，如果它们的差值大于20℃时就让半导体制冷器全功率制冷或制热，这样可能更快达到标准工作温度；如果其差值在10℃到20℃时则采用Fuzzy-PID算法以较快速准确的控制半导体制冷器达到标准温度；在10℃以内时就采用Fuzzy-PID控制算法来更精确地得到所需的温度控制数字量。得到的温度控制数字量经过D/A芯片转换为模拟信号，传输到半导体制冷器的驱动电路上，从而控制半导体制冷器对光收发模块进行温度控制。