專利名稱：一種激光器自動(dòng)溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光器自動(dòng)溫度控制。
背景技術(shù)：
在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送模塊是非常重要的部件。光發(fā)送模塊的工作波長(zhǎng)在一定環(huán)境溫度范圍內(nèi)和模塊壽命終了時(shí)是否滿足系統(tǒng)應(yīng)用的要求取決于選用的激光器的性能，例如激光器管芯溫度的設(shè)定值范圍的大小，以及激光器制冷器TEC的工作效率和激光器內(nèi)部散熱設(shè)計(jì)等。為保證其正常工作，需要使用自動(dòng)溫度控制(ATC)電路來(lái)保證其溫度穩(wěn)定性。
通常在激光器溫度控制電路中，制冷器采用半導(dǎo)體致冷器，溫度傳感器采用熱敏電阻。它們被封裝在激光器內(nèi)部。熱敏電阻檢測(cè)到激光器管芯溫度后，反饋回來(lái)與溫度設(shè)置點(diǎn)比較得到誤差信號(hào)。誤差信號(hào)通過(guò)一定的控制算法，得到溫度控制信號(hào)。功率驅(qū)動(dòng)電路用于得到制冷器所需的較大的制冷電流。溫度控制可以采用專用溫度控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用分離元件搭建。
ATC電路與激光器內(nèi)部集成的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT和TEC半導(dǎo)體制冷器形成一個(gè)反饋控制環(huán)路，用來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度控制激光器管芯溫度的功能。傳統(tǒng)ATC電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示通常情況下該電路由溫度誤差檢測(cè)電路、誤差放大電路、PID(比例、積分、微分控制)控制電路或溫度控制器、TEC控制器和激光器內(nèi)部TEC組件組成。
激光器熱敏電阻RT用來(lái)測(cè)量激光器的管芯溫度，它是溫度誤差檢測(cè)電路的組成部分，誤差檢測(cè)電路將激光器熱敏電阻檢測(cè)到的管芯溫度與設(shè)定值比較，將誤差提供給下一級(jí)精密運(yùn)算放大電路。這個(gè)電壓通過(guò)一個(gè)高增益的放大器放大，同時(shí)再經(jīng)過(guò)PID電路對(duì)ATC環(huán)路的頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償，該電路具有Z1和Z2兩套補(bǔ)償參數(shù)，通過(guò)對(duì)Z1和Z2的調(diào)整來(lái)增加控制電路的穩(wěn)定性，并提高該控制環(huán)路的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到系統(tǒng)的要求。PID電路的輸出再驅(qū)動(dòng)TEC控制器輸出，TEC控制器則控制激光器的TEC組件的電流大小和方向，從而改變激光器管芯的溫度，使該值接近設(shè)定值。當(dāng)激光器的管芯溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，TEC控制器增加TEC制熱電流來(lái)加熱激光器的管芯；當(dāng)管芯溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，TEC控制器會(huì)增加TEC制冷電流來(lái)冷卻激光器的管芯。激光器管芯溫度的高低通過(guò)激光器熱敏電阻RT反饋給溫度誤差檢測(cè)電路，通過(guò)上述反饋控制過(guò)程，激光器的管芯溫度將最終穩(wěn)定在設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)激光器管芯溫度的自動(dòng)控制。
目前使用的專用TEC控制器與用分離元件相比，采用專用芯片性能可靠，占用體積??；缺點(diǎn)是價(jià)格較高。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于溫度閉環(huán)的最優(yōu)控制與制冷器效率，受控對(duì)象的散熱設(shè)計(jì)以及應(yīng)用環(huán)境等很多因素有關(guān)。而不同的受控對(duì)象的差異性很大，導(dǎo)致溫度控制方法中的最優(yōu)參數(shù)往往需要根據(jù)控制回路中其他參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的溫度控制的方法，無(wú)論是采用專用溫度控制芯片還是用分離元件，其參數(shù)調(diào)整都不夠靈活，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)控制回路的最優(yōu)控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服了現(xiàn)有技術(shù)中溫度控制控制參數(shù)調(diào)整不靈活、難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的缺點(diǎn)，提出了一種新的控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度控制。
本發(fā)明所述的ATC電路與傳統(tǒng)ATC電路相比，本發(fā)明的電路包括誤差檢測(cè)放大電路、PID控制電路、TEC控制器和激光器內(nèi)部TEC組件。主要差別在于1、誤差檢測(cè)電路之前，溫度設(shè)定改為通過(guò)MCU軟件設(shè)置；2、PID控制改由MCU實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明技術(shù)方案包括以下步驟在包括誤差檢測(cè)放大電路、溫度控制器(MCU)、TEC控制器和激光器內(nèi)部TEC組件的控制電路中，通過(guò)溫度控制器(MCU)設(shè)置初始溫度點(diǎn)，通誤差檢測(cè)電路檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)置的初始溫度的差值，并通過(guò)溫度控制器(MCU)來(lái)控制TEC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。
上述方案可以具體化為1、系統(tǒng)上電之后，溫度控制器(MCU)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)讓器(DAC)設(shè)置初始溫度點(diǎn)VTS；通過(guò)熱敏電阻(RT)檢測(cè)，得到實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的電壓值VT，然后與設(shè)定溫度點(diǎn)VTS進(jìn)行比較，得到用模擬電壓值表示的溫度誤差；通過(guò)放大后再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣該溫度誤差，得到對(duì)應(yīng)數(shù)字值VTE；溫度控制器(MCU)使用二階濾波方法對(duì)溫度誤差的數(shù)字值VTE進(jìn)行處理，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)后控制TEC。
或2、系統(tǒng)上電之后，溫度控制器(MCU)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)讓器(DAC)設(shè)置初始溫度點(diǎn)VTS；通過(guò)熱敏電阻(RT)檢測(cè)，得到實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的電壓值VT，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣后由溫度控制器(MCU)將其與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較放大，得到對(duì)應(yīng)溫度誤差的數(shù)字值VTE；溫度控制器(MCU)再使用二階濾波方法對(duì)溫度誤差進(jìn)行處理，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)后控制TEC。
上述方案中，溫度控制器(MCU)使用對(duì)溫度誤差的數(shù)字值VTE進(jìn)行處理的方法為首先溫度控制器(MCU)根據(jù)得到的誤差信號(hào)，判斷溫度誤差是否小于設(shè)定范圍，并將該狀態(tài)輸出；然后根據(jù)公式VI(n)＝K1*VTE+VI(n-1)進(jìn)行積分計(jì)算得到VI(n)積分運(yùn)算后的數(shù)值；在得到VI(n)之后，利用公式VDAC＝K2*VTE+VI(n)進(jìn)行比例運(yùn)算，得到VDAC，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。
采用本發(fā)明所提供的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采取了軟件控制算法，可以更靈活的調(diào)整環(huán)路參數(shù)，更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器或其它受控對(duì)象溫度的最優(yōu)控制。


圖1是傳統(tǒng)的溫度控制電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明中的自動(dòng)溫度控制示意圖；圖3是本發(fā)明具體溫度控制電路實(shí)施例一結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本發(fā)明具體溫度控制電路實(shí)施例二結(jié)構(gòu)框圖；
圖5是本發(fā)明中溫度控制流程的主要步驟圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示是本發(fā)明的自動(dòng)溫度控制示意圖，包括誤差檢測(cè)放大電路、PID控制電路(即溫度控制器MCU)、TEC控制器和激光器內(nèi)部TEC組件。通過(guò)溫度控制器(MCU)設(shè)置初始溫度點(diǎn)，通誤差檢測(cè)放大電路檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)置的初始溫度的差值，并通過(guò)溫度控制器(MCU)來(lái)控制TEC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。
圖3和圖4兩種實(shí)施方式略有差異，如圖3所示，熱敏電阻用來(lái)檢測(cè)激光器實(shí)際溫度，該值與設(shè)定溫度之間的誤差通過(guò)誤差放大器放大后送入MCU(圖中表示為溫度控制器)。與此不同的是，在圖4中，誤差放大的功能在MCU內(nèi)部通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，熱敏電阻得到的溫度電壓值VT直接通過(guò)AD采集進(jìn)入MCU。
本發(fā)明的溫度控制流程主要如圖5所示。
首先，設(shè)置初始溫度值，系統(tǒng)上電后先輸出該設(shè)置值；然后溫度誤差檢測(cè)放大電路檢測(cè)并處理得到溫度誤差；MCU將根據(jù)得到的誤差信號(hào)，判定溫度是否鎖定(即溫度設(shè)定值與實(shí)際溫度值之間的誤差小于給定范圍)，并將該狀態(tài)輸出；然后根據(jù)公式VI(n)＝K1*VTE+VI(n-1)進(jìn)行積分計(jì)算得到VI(n)；在得到VI(n)之后，利用公式VDAC＝K2*VTE+VI(n)進(jìn)行比例運(yùn)算，得到VDAC。其中，K1、K2是比例積分系數(shù)。將得到的VDAC送往數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC。
最后，結(jié)果通過(guò)DA輸出，經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)TEC，從而完成整個(gè)控制環(huán)路。
權(quán)利要求
1.一種激光器自動(dòng)溫度控制方法，在包括誤差檢測(cè)和放大電路、溫度控制器(MCU)、TEC控制器和激光器內(nèi)部TEC組件的控制電路中，通過(guò)溫度控制器(MCU)設(shè)置初始溫度點(diǎn)，通誤差檢測(cè)電路檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)置的初始溫度的差值，并通過(guò)溫度控制器(MCU)來(lái)控制TEC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。
2.權(quán)利要求1所述的激光器自動(dòng)溫度控制方法，其特征在于，2.1系統(tǒng)上電之后，溫度控制器(MCU)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)讓器(DAC)設(shè)置初始溫度點(diǎn)VTS；2.2通過(guò)熱敏電阻(RT)檢測(cè)，得到實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的電壓值VT，然后與設(shè)定溫度點(diǎn)VTS進(jìn)行比較，得到用模擬電壓值表示的溫度誤差；2.3通過(guò)放大后再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣該溫度誤差，得到對(duì)應(yīng)數(shù)字值VTE2.4溫度控制器(MCU)使用二階濾波方法對(duì)溫度誤差的數(shù)字值VTE進(jìn)行處理，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)后控制TEC。
3.權(quán)利要求1所述的激光器自動(dòng)溫度控制方法，其特征在于，3.1系統(tǒng)上電之后，溫度控制器(MCU)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)讓器(DAC)設(shè)置初始溫度點(diǎn)VTS；3.2通過(guò)熱敏電阻(RT)檢測(cè)，得到實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的電壓值VT，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣后由溫度控制器(MCU)將其與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較放大，得到對(duì)應(yīng)溫度誤差的數(shù)字值VTE；3.3溫度控制器(MCU)再使用二階濾波方法對(duì)溫度誤差進(jìn)行處理，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)后控制TEC。
4.權(quán)利要求2或3所述的激光器自動(dòng)溫度控制方法，其特征在于，所述溫度控制器(MCU)使用對(duì)溫度誤差的數(shù)字值VTE進(jìn)行處理的方法為首先溫度控制器(MCU)根據(jù)得到的誤差信號(hào)，判斷溫度誤差是否小于設(shè)定范圍，并將該狀態(tài)輸出；然后根據(jù)公式VI(n)＝K1*VTE+VI(n-1)進(jìn)行積分計(jì)算得到VI(n)積分運(yùn)算后的數(shù)值；在得到VI(n)之后，利用公式VDAC＝K2*VTE+VI(n)進(jìn)行比例運(yùn)算，得到VDAC，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。
全文摘要
一種激光器自動(dòng)溫度控制方法，在包括誤差檢測(cè)放大電路、溫度控制器、TEC控制器和激光器內(nèi)部TEC組件的控制電路中，通過(guò)溫度控制器設(shè)置初始溫度點(diǎn)，通誤差檢測(cè)電路檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)置的初始溫度的差值，并通過(guò)溫度控制器來(lái)控制TEC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。采用本發(fā)明所提供的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采取了軟件控制算法，可以更靈活的調(diào)整環(huán)路參數(shù)，更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器或其它受控對(duì)象溫度的最優(yōu)控制。
文檔編號(hào)G05D23/24GK101046694SQ200610060149
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者黃典剛, 常建新, 王向前, 王加瑩 申請(qǐng)人:中興通訊股份有限公司