專利名稱：一種光交換機(jī)中陣列光收發(fā)模塊的智能溫控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及光交換機(jī)的陣列光收發(fā)模塊的高精 度溫度探測與控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
光交換機(jī)是整個(gè)光通信系統(tǒng)的信息處理樞紐，是未來光通信領(lǐng)域必不可少且應(yīng)用 廣泛的重要器件之一。在工程應(yīng)用中，光交換機(jī)中光收發(fā)模塊的溫度特性是影響光交換機(jī) 對光信號接收和發(fā)送準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。要使光交換機(jī)在任何惡劣的溫度環(huán) 境下能正常穩(wěn)定的工作，則需要對光交換機(jī)中的光收發(fā)模塊進(jìn)行高精度、快響應(yīng)的溫度控 制。目前實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫控的方法主要有以下幾種1、采用模擬技術(shù)，主要有溫度傳感器，電壓放大器，負(fù)反饋電路，制冷器等，其溫控 原理是通過溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)電壓放大器放大后經(jīng)過負(fù)反饋電路輸 出控制信號，從而控制制冷器工作，最終實(shí)現(xiàn)溫度控制。這種溫度控制精度和響應(yīng)度都比較 差，一般是用在對溫度要求不高的地方，比如工業(yè)中的應(yīng)用。2、采用算法電路，基本與上述方法相同，只是將負(fù)反饋電路變?yōu)樗惴娐?，如?2008年6月18日公開的，公開號為CN 101201636A，發(fā)明名稱為“高穩(wěn)定度恒溫控制器”的 專利，該專利是應(yīng)用于大功率激光二極管的恒溫控制，采用了模擬PI控制，通過熱敏電阻 和TEC對溫度進(jìn)行采集和控制，溫度控制范圍達(dá)到0 80°C。3、采用數(shù)字技術(shù)，通過溫度傳感器將溫度信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息，并傳輸?shù)街醒肟?制單元，如單片機(jī)、數(shù)字信號處理(DSP)等，經(jīng)中央控制單元內(nèi)部的程序計(jì)算后輸出控制 量，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。在這種技術(shù)中又可分為兩種其一是在溫度轉(zhuǎn)換中，采用模擬式溫 度傳感器，將溫度信息轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再輸入到控制單 元，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出控制量來對溫度進(jìn)行控制，如在2008年5月7日公開，公開號為 CN101174155A，發(fā)明名稱為“半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)”的專利，該專利就是應(yīng)用單片機(jī) 對溫度控制信息進(jìn)行處理的。其二是在溫度轉(zhuǎn)換中，采用數(shù)字式溫度傳感器，將溫度信號直 接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸?shù)娇刂茊卧?，從而進(jìn)行溫度控制。[余軍，王彥瑜?；贛SP430單 片機(jī)和DS18B20的多分支多通道精密溫度測量系統(tǒng)研究。核電子學(xué)與探測技術(shù)，2008，11， 1238-1238]。以上的溫度控制技術(shù)應(yīng)用于光交換機(jī)中的光收發(fā)模塊，存在諸多不足之處其一、采用模擬電路進(jìn)行溫度控制，其精度不高，而且進(jìn)行較大溫度差的控制時(shí)， 響應(yīng)速率比較差。如果其應(yīng)用在多點(diǎn)溫度控制時(shí)，集成性差，很難應(yīng)用到具有多端口的光交 換機(jī)系統(tǒng)中，即多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)。其二、測溫元件采用模擬溫度傳感器，為了獲得較高的測溫精度，就必須考慮器件 工藝、長線傳輸及放大電路零點(diǎn)漂移等產(chǎn)生的誤差。目前解決模擬溫度傳感器的測量誤差， 一般采用了補(bǔ)償電路，但實(shí)現(xiàn)費(fèi)用較高，且補(bǔ)償電路不能完全消除由于器件工藝等產(chǎn)生的測量誤差。其三、測溫元件采用數(shù)字溫度傳感器，其準(zhǔn)確性可以得到一定的保證，但由于數(shù)字 溫度傳感器的最高精度為12位，即溫度信號最多能轉(zhuǎn)化為12位二進(jìn)制的數(shù)字信號，其固有 的特性不能得到更精確的溫度測量數(shù)據(jù)，且應(yīng)用到多點(diǎn)控制系統(tǒng)中的成本較高。其四、目前的各種溫度控制系統(tǒng)，其溫度控制范圍比較窄，最大范圍為-40 100°C，不能滿足一些特殊情況的應(yīng)用，如溫度變化范圍為-55 120°C，且精度都不高。其五、目前的各種溫度控制系統(tǒng)，基本都是單點(diǎn)控制，很難應(yīng)用于多點(diǎn)溫度控制系 統(tǒng)中，對更多點(diǎn)的溫控?cái)U(kuò)展性較差。因此，克服上述溫度控制方法的不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于光通信中光交換機(jī) 的多點(diǎn)溫度檢測與控制的方法，該方法對光交換機(jī)走向工程化非常重要，下面將對本發(fā)明 進(jìn)行詳細(xì)說明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容在于克服上述溫度控制方法的缺陷，提供一種應(yīng)用于光交換機(jī)的基 于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)多點(diǎn)智能溫度控制方法。該方法具有高精度、低功耗、高效率、 可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測控和實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警功能、可擴(kuò)展性、友好的人機(jī)接口及與上位PC機(jī)間 串行通信的功能等。為了方便的描述本發(fā)明的內(nèi)容，對一些專業(yè)術(shù)語進(jìn)行描述FPGA (Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場可編程門陣列；Verilog HDL(Verilog Hardware Discription Language) ；Verilog 硬件描述語 、
H ；A/D (Analog/Digital)模擬 / 數(shù)字；D/A (Digital/Analog)數(shù)字 / 模擬；PID (Proportion Integration Differentation)比{列禾只分微分；PI (Proportion Integration)比{列禾只分；Fuzzy-PID 模糊-比例積分微分；Fuzzy-PD 模糊-比例微分；TEC (Thermoelectric Cooler)半導(dǎo)體制冷器；LCD (Liquid Crystal Display)液晶顯示器；PC (Personal Computer)個(gè)人計(jì)算機(jī)；DSP (Digital Signal Processing)數(shù)字信號處理;PT100 鉬熱電阻(PT后的100表示這個(gè)型號的電阻在0°C時(shí)阻值為100歐姆)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明是多點(diǎn)智能溫控方法，其方法可應(yīng)用到光交換機(jī)中的陣列光收發(fā)模塊，本 發(fā)明的具體步驟為第1步在光交換機(jī)中的每個(gè)光收發(fā)器件上設(shè)置一個(gè)溫度傳感器PT100，直接實(shí)時(shí) 采集各個(gè)光收發(fā)模塊工作時(shí)的溫度模擬信號，再通過模擬放大器對該模擬信號進(jìn)行放大處 理；第2步已經(jīng)放大的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號；
第3步轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入FPGA芯片內(nèi)，與已設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 并通過FPGA內(nèi)部的溫度控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到用于調(diào)節(jié)溫度的控制量；第4步該溫度控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后，輸出正或負(fù)的溫控電壓模擬量；第5步該溫控電壓模擬量經(jīng)TEC驅(qū)動電路后，加載到粘結(jié)在各個(gè)對應(yīng)的光收發(fā)模 塊上的TEC，實(shí)現(xiàn)溫度控制操作，最終完成對光交換機(jī)上多個(gè)光收發(fā)模塊的高精度溫度閉環(huán) 控制，比如光交換機(jī)的32個(gè)光收發(fā)模塊的溫度控制。應(yīng)用于光交換機(jī)中陣列光收發(fā)模塊智能溫控方法的特征在于，其主要包括溫度探 測控制模塊和智能溫度控制模塊。溫度探測控制模塊上主要包括溫度傳感器，電壓放大器， TEC驅(qū)動電路和半導(dǎo)體熱電制冷器，其固定在光交換機(jī)的陣列光收發(fā)模塊上，并在TEC上安 裝有散熱片使其工作更穩(wěn)定。智能溫度控制模塊包括中央處理器FPGA，F(xiàn)PGA配置芯片，與 FPGA連接的8通道16位D/A轉(zhuǎn)換芯片和8通道16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，鍵盤和液晶顯示器等。 本發(fā)明的工作流程是溫度傳感器探測的溫度信號經(jīng)過電壓放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換芯片所 需要的電壓，該放大后的溫度探測信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)紽PGA中， 經(jīng)過FPGA內(nèi)部的溫度控制程序得到控制溫度的控制信號，F(xiàn)PGA處理過的溫度控制信號經(jīng) 過D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬控制信號，該信號傳輸?shù)絋EC驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體熱電制冷 器進(jìn)行驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)了對光交換中陣列光收發(fā)模塊的溫度控制。上述的溫度探測和控制模塊粘接在光收發(fā)模塊上，其中溫度傳感器用導(dǎo)熱硅膠粘 接在光收發(fā)模塊中光發(fā)射機(jī)和光探測器所在位置的外側(cè)，半導(dǎo)體制冷器用導(dǎo)熱硅膠粘接在 光收發(fā)模塊的上側(cè)，并在半導(dǎo)體制冷器上用導(dǎo)熱硅膠粘接散熱片使其更穩(wěn)定的工作。本發(fā)明特點(diǎn)是在光收發(fā)模塊穩(wěn)定工作的特定溫度下，將溫度傳感器得到的信號經(jīng) 過放大電路傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換芯片，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息記錄到FPGA中作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，各路 的數(shù)據(jù)可以不同；在工作狀態(tài)下，通過溫度傳感器PT100和放大電路得到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn) 換芯片得到數(shù)字信息，該信息與已測得標(biāo)準(zhǔn)溫度信息在FPGA中經(jīng)過溫度控制算法處理得 到溫度控制量，該控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬控制信號通過TEC驅(qū)動電路來控制 半導(dǎo)體制冷器，從而實(shí)現(xiàn)對光收發(fā)模塊的溫度控制。由于每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換芯片是同時(shí)工作的， 其可以快速處理各路的溫度信號，并可根據(jù)選擇可在LCD上實(shí)時(shí)顯示所需要的各個(gè)模塊的 溫度{曰息。


圖132端口的光交換機(jī)示意圖。圖2光交換機(jī)中陣列光收發(fā)模塊的智能溫控系統(tǒng)示意圖。圖3光交換機(jī)中單點(diǎn)溫度控制的示意圖。圖4陣列光收發(fā)模塊智能溫控的工作原理圖。圖5陣列光收發(fā)模塊智能溫控的FPGA芯片工作流程圖。圖6陣列光收發(fā)模塊智能溫控中Fuzzy-PID控制流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
，對本發(fā)明應(yīng)用于光交換機(jī)的陣列光收發(fā)模塊的溫控系統(tǒng) 作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1是32端口的光交換機(jī)示意圖。圖1中的編號1 32是表示光交換機(jī)中的32 個(gè)光收發(fā)模塊，其工作方式如下光信號首先輸入到輸入端的光收發(fā)模塊，經(jīng)過該模塊中的 光接收機(jī)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過配置好的交換機(jī)完成信號的交換，交換到輸出端 的一個(gè)光收發(fā)模塊，通過該輸出模塊中的光發(fā)射機(jī)完成電光轉(zhuǎn)換并輸出，實(shí)現(xiàn)光信息在光 交換機(jī)中的交換。例如當(dāng)?shù)?路光信號輸入到光收發(fā)模塊1，首先經(jīng)過該模塊中的光接收機(jī) 接收光信號完成光電轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸?shù)浇粨Q模塊中，在交換模塊中通過傳輸 信號的配置信息判斷該信息交換到哪一個(gè)輸出端口，即這個(gè)信號要從那一路輸出，例如假 定從第32路輸出，則將這個(gè)信號交換到第32個(gè)光收發(fā)模塊，該路信號經(jīng)過第32個(gè)模塊中 的光發(fā)射器進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的光信號通過連接在第32個(gè)輸出端口的光纖進(jìn)入到光 纖傳輸信道。同樣也可能有其他路的信號需要傳輸?shù)降?號端口，經(jīng)過模塊1的光發(fā)射器 進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換。圖1中所示的1 32個(gè)模塊需要具備光接收和光發(fā)送兩個(gè)功能，即光收發(fā) 一體的模塊。由于光收發(fā)模塊的工作溫度對其信號轉(zhuǎn)換的效率與有效性影響較大，因此，解 決溫度變化對整個(gè)系統(tǒng)的影響是光交換中的關(guān)鍵問題之一。圖2是光交換機(jī)中陣列光收發(fā)模塊的智能溫控系統(tǒng)示意圖。如圖2所示，該系統(tǒng)中 的最低層是光交換機(jī)，其上是FPGA智能溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要完成對光交換機(jī)的每個(gè) 光收發(fā)模塊的溫度采集和控制功能。圖2中的編號33到64是粘結(jié)在光交換機(jī)的32個(gè)光 收發(fā)器件上的溫度探測和控制模塊，這些模塊連接在智能溫度控制模塊上，由于該系統(tǒng)具 有可擴(kuò)展性，因此可以控制更多點(diǎn)的溫度，如64X64端口的光交換機(jī)。其中FPGA智能溫度 控制模塊中采用4個(gè)8通道16位A/D轉(zhuǎn)換芯片和4個(gè)8通道16位D/A轉(zhuǎn)換芯片，使整個(gè) 系統(tǒng)能更快速準(zhǔn)確的采集到各個(gè)光收發(fā)模塊的溫度信息，并進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)控制。在FPGA 智能溫度控制模塊中還包含IXD、鍵盤及用于PC機(jī)連接的串行通信模塊，使其具有友好的 人機(jī)交互功能。圖3是光交換機(jī)中單點(diǎn)溫度控制的示意圖。該方案中主要包括溫度探測器65，半 導(dǎo)體制冷器66，散熱器67。在光交換機(jī)中，光收發(fā)模塊中的光探測器和光發(fā)射器對工作溫 度最敏感，。又由于光發(fā)射器件工作時(shí)，會因自身功率產(chǎn)生熱量導(dǎo)致其溫度變化較大，且光 發(fā)射器件對溫度的敏感性遠(yuǎn)大于光接收器件，所以在本發(fā)明中，將溫度探測器用導(dǎo)熱硅膠 粘結(jié)在光收發(fā)模塊中的光發(fā)射器所在的側(cè)面，實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的對光收發(fā)模塊的溫度采集。 半導(dǎo)體制冷器和散熱器采用導(dǎo)熱硅膠粘結(jié)在光收發(fā)模塊上側(cè)，實(shí)現(xiàn)對光收發(fā)模塊溫度快速 準(zhǔn)確的控制。圖4是陣列光收發(fā)模塊智能溫控的工作原理圖。本發(fā)明是應(yīng)用于光交換機(jī)中的陣 列光收發(fā)模塊的溫控系統(tǒng)，其主要由溫度探測及電壓放大模塊、8通道16位A/D轉(zhuǎn)換模塊、 中央處理模塊、8通道16位D/A轉(zhuǎn)換模塊、TEC及其控制電路、串口通信模塊、鍵盤、警報(bào)器、 顯示器IXD及FPGA配置模塊組成。其中圖4中的虛框圖表示了本發(fā)明所具有的溫度顯示 功能和警報(bào)功能，在顯示器LCD中可顯示陣列光收發(fā)模塊的標(biāo)號及實(shí)時(shí)顯示陣列光收發(fā)模 塊的溫度，其中各個(gè)陣列光收發(fā)模塊的溫度顯示可以通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明中，如果 某一路的陣列光收發(fā)模塊的工作溫度超過其正常工作溫度范圍時(shí)，就會觸發(fā)警報(bào)，且顯示 器會持續(xù)顯示該路陣列光收發(fā)模塊的實(shí)時(shí)工作溫度。圖4所示的陣列光收發(fā)模塊智能溫控 系統(tǒng)，其特征一在于，F(xiàn)PGA配置模塊在系統(tǒng)啟動時(shí)完成對中央處理模塊的配置，即中央處理 模塊能夠根據(jù)設(shè)計(jì)的要求正常工作。通過鍵盤輸入控制系統(tǒng)的開啟和復(fù)位，并為中央處理模塊提供當(dāng)前的按鍵狀態(tài)，中央處理模塊通過串口通信模塊與PC機(jī)進(jìn)行串口通信。其特征 二在于，由于FPGA的可重復(fù)擦寫性，在溫度探測及電壓放大模塊中采用了 PT100作為溫度 傳感器，并在標(biāo)準(zhǔn)工作溫度25 °C時(shí)測得每個(gè)傳感器經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊后傳輸?shù)紽PGA中的數(shù) 據(jù)作為溫度參考數(shù)據(jù)，各路的溫度參考數(shù)據(jù)可以不同，且可以根據(jù)需要進(jìn)行更改，從而減少 由于電路缺陷導(dǎo)致的溫度探測誤差。比如在標(biāo)準(zhǔn)溫度25°C時(shí)，第1路溫度探測信號由于電 路的各種誤差傳輸?shù)紽PGA中的數(shù)據(jù)對應(yīng)的可能就是24. 5°C，那就把24. 5°C作為標(biāo)準(zhǔn)溫度 信號來進(jìn)行溫度控制計(jì)算，其他各路溫度探測信號傳輸?shù)腇PGA中可能各不相同，本發(fā)明就 把每路在25°C傳輸?shù)紽PGA中的信息作為標(biāo)準(zhǔn)溫度信號，這樣就避免了由于電路缺陷所帶 來的溫度探測誤差，提高了整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。其特征三在于，在工作時(shí)溫度探測器采集到 陣列光收發(fā)模塊的實(shí)時(shí)溫度，采集到的溫度信息通過放大器放大后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信息傳輸?shù)街醒胩幚砟K中，該數(shù)字信息將根據(jù)要求在顯示器 LCD上顯示，并與標(biāo)準(zhǔn)溫度信號經(jīng)過內(nèi)部的溫度控制算法計(jì)算得到溫度控制信息，該信息輸 入到D/A轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的模擬信息輸入到TEC及其控制電路模塊中， 最后實(shí)現(xiàn)對陣列光收發(fā)模塊的溫度控制。其特征四在于，本發(fā)明中采用了 8通道16位D/A 轉(zhuǎn)換芯片和8通道16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，減少了多點(diǎn)測量控制切換所帶來的誤差和延遲，這 4對D/A和A/D轉(zhuǎn)換芯片在FPGA控制下是同時(shí)工作，且中央處理模塊控制的每一對A/D和 D/A轉(zhuǎn)換芯片形成的8路閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行流水線操作，流水線操作即在同一時(shí)刻第1 通道工作在D/A轉(zhuǎn)換，第2通道工作在進(jìn)行溫度控制信號的計(jì)算，第3通道工作在溫度探測 信號的讀入等，這種方式比循環(huán)處理(循環(huán)處理是第1通道的溫度控制信號處理完之后再 進(jìn)行第2通道的溫度控制信號的處理，循環(huán)到第8通道信號后再進(jìn)行第1通道信號的處理) 更快，效率更高。該系統(tǒng)可以更實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)對各個(gè)陣列光收發(fā)模塊的溫度控制。本發(fā)明應(yīng)用了 FPGA芯片EP2C5F256C6N作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制芯片，用以 控制D/A轉(zhuǎn)換芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片、鍵盤、顯示屏IXD及串口通信模塊等正常工作。在該芯 片中，應(yīng)用Verilog HDL編寫各個(gè)外圍器件的控制電路和溫度控制模塊，在該模塊中通過對 A/D轉(zhuǎn)換芯片采集的數(shù)據(jù)和已輸入的標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)通過控制算法進(jìn)行比較，再將數(shù)據(jù)輸入 到D/A轉(zhuǎn)換模塊中，該溫控算法是采用了 Fuzzy-PID控制算法，最后通過TEC及其控制電路 實(shí)現(xiàn)對陣列光收發(fā)模塊的溫度控制。下面對Fuzzy-PID控制算法作進(jìn)一步說明PID控制算法是一種比例積分PI、微 分并聯(lián)的控制算法，也是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制算法，它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)， 適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)。PID的數(shù)學(xué)模型可以用下式表 示其中U(t)——控制器的輸出；e(t)——控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號；KP——控制器的比例系數(shù)；凡——控制器的積分時(shí)間；Td——控制器的微分時(shí)間。
在本發(fā)明中是以FPGA為核心的控制系統(tǒng)，對輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，因此 該系統(tǒng)是離散時(shí)間控制系統(tǒng)即是數(shù)字信息處理DSP系統(tǒng)。當(dāng)采樣周期T足夠短時(shí)，可以用 求和代替積分，用差商代替微分，使PID控制算法離散化，之后用u (t)減去u (t-1)，即得到 在本發(fā)明中采用的增量式PID控制算法，其公式如下 其中T——采樣周期。由于PID控制算法中，不同的系數(shù)會產(chǎn)生不同的控制效果。為了得到更快速穩(wěn)定 的控制效果，本發(fā)明還采用了模糊(Fuzzy)控制，用模糊推理來自動實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳 調(diào)整，這樣使得整個(gè)控制核心既有模糊控制的靈活和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精 度高的特點(diǎn)。圖5是陣列光收發(fā)模塊智能溫控中Fuzzy-PID控制流程圖。首先系統(tǒng)對A/D轉(zhuǎn)換 芯片傳輸來的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度信號計(jì)算出當(dāng)前的偏差E和偏差變化率EC，再根據(jù)設(shè)定的模 糊控制參數(shù)進(jìn)行E和EC的模糊化，并查找對應(yīng)的模糊控制表，得到模糊控制量所對應(yīng)的KP，
的值，最后采用增量式PID控制算法計(jì)算得到D/A應(yīng)輸出的數(shù)據(jù)量。這樣就實(shí)現(xiàn)了整 個(gè)系統(tǒng)對溫度的Fuzzy-PID控制。圖6是陣列光收發(fā)模塊智能溫控的FPGA芯片工作流程圖。首先，F(xiàn)PGA開始初始 化后判斷A/D芯片是否得到有效溫度(表示為T)數(shù)據(jù)，當(dāng)A/D芯片輸入有效數(shù)據(jù)時(shí)，讀取 到當(dāng)前的有效探測數(shù)據(jù)否則返回等待有效數(shù)據(jù)的輸入；這個(gè)讀入的有效數(shù)據(jù)將在LCD中顯 示，并與FPGA內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度(表示為Tc)比較并計(jì)算其差值。通過這個(gè)差值的 大小來判斷系統(tǒng)的工作方式，如果它們的差值大于20°C時(shí)就讓半導(dǎo)體制冷器全功率制冷或 制熱，這樣可能更快達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工作溫度；如果其差值在10°C到20°C時(shí)則采用Fuzzy-PID算 法以較快速準(zhǔn)確的控制半導(dǎo)體制冷器達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度；在10°C以內(nèi)時(shí)就采用Fuzzy-PID控制 算法來更精確地得到所需的溫度控制數(shù)字量。得到的溫度控制數(shù)字量經(jīng)過D/A芯片轉(zhuǎn)換為 模擬信號，傳輸?shù)桨雽?dǎo)體制冷器的驅(qū)動電路上，從而控制半導(dǎo)體制冷器對光收發(fā)模塊進(jìn)行 溫度控制。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對光交換機(jī)的陣列光收發(fā)模塊的高精度實(shí)時(shí)的溫度測量、顯示與控 制；并且可以最大程度的減少溫度采集時(shí)的誤差，快速實(shí)現(xiàn)對由多個(gè)光收發(fā)模塊組成的陣 列光收發(fā)模塊進(jìn)行溫度控制；在光交換機(jī)不能正常工作的情況下，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功 能；本發(fā)明具有溫控精度和可靠度高的優(yōu)勢，可以使光交換機(jī)在惡劣環(huán)境下也能正常穩(wěn)定 工作，且溫控范圍較大，如可以實(shí)現(xiàn)溫度范圍為-55 125°C，且具有良好的擴(kuò)展性，即應(yīng)用 于更多點(diǎn)的溫度探測控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
本發(fā)明提出一種光交換機(jī)中的陣列光收發(fā)模塊的智能溫控方法。其步驟為1)、在光交換機(jī)的各個(gè)光收發(fā)模塊對溫度敏感的光發(fā)射器一側(cè)設(shè)置溫度傳感器，將探測到光收發(fā)模塊的工作溫度信息，經(jīng)放大器放大后傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換模塊中；2)、采用了8通道16位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其精度高，且可以快速準(zhǔn)確的對各路信號進(jìn)行處理，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息輸入到中央處理模塊中；3)、采用了FPGA對溫度進(jìn)行控制，對外圍器件的控制具有可擴(kuò)展性，且可以與PC機(jī)進(jìn)行通信；通過FPGA中的溫度控制算法得到溫度控制信號，將該信號傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換模塊中；4)、采用了8通道16位的D/A轉(zhuǎn)換芯片將溫度控制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號傳輸?shù)絋EC驅(qū)動電路中；5)、該溫度控制模擬量通過TEC驅(qū)動電路，加載到粘接在光收發(fā)模塊的半導(dǎo)體制冷器上，實(shí)現(xiàn)加熱或制冷操作，這樣最終實(shí)現(xiàn)精密溫度閉環(huán)控制。本發(fā)明的特征一在于，F(xiàn)PGA的可重復(fù)擦寫性，在光收發(fā)模塊的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度25℃時(shí)，采集各路溫度探測信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸入到FPGA的值，將這個(gè)數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)溫度信息，這樣可減少在溫度探測器的電路設(shè)計(jì)難度，且減少了誤差，提高了精度；本發(fā)明的特征二在于，該方法可同時(shí)控制4對A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片，且每一對A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)8路閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，通過對這8路閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的流水線操作，可以實(shí)現(xiàn)高精度、快速地實(shí)現(xiàn)的32個(gè)光收發(fā)模塊的溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)32×32光交換機(jī)在惡劣溫度環(huán)境下能正常工作，該方法溫度控制范圍達(dá)到了-55～125℃；本發(fā)明的特征三在于，該方法具有良好的人機(jī)接口，并能與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，能夠更好的監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況；本發(fā)明的特征四在于，本發(fā)明在光交換機(jī)的工作溫度超過正常工作溫度時(shí)，能夠提供報(bào)警及溫度顯示功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于，該方案包括溫度探測控制模塊和智能溫度控制 模塊，溫度探測控制模塊上主要包括溫度傳感器，電壓放大器，TEC驅(qū)動電路和半導(dǎo)體制冷 器，溫度傳感器采集的信號經(jīng)過電壓放大器放大后傳輸?shù)街悄軠囟瓤刂颇K，智能溫度控 制模塊包括中央處理器FPGA，F(xiàn)PGA配置芯片，與FPGA連接的8通道16位D/A轉(zhuǎn)換芯片和 8通道16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，鍵盤和液晶顯示器，溫度探測控制模塊傳輸?shù)男盘柦?jīng)過A/D轉(zhuǎn)換 芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到FPGA，由FPGA內(nèi)部的溫度控制程序計(jì)算出輸出的溫度控制信 號，這個(gè)溫度控制信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成電壓量輸出到溫度探測控制模塊上的TEC 驅(qū)動電路，從而控制半導(dǎo)體制冷器工作來實(shí)現(xiàn)對陣列光收發(fā)模塊的溫度控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述，其特征在于，溫度傳感器用導(dǎo)熱硅膠粘結(jié)在光收 發(fā)模塊的溫度敏感點(diǎn)，即光收發(fā)模塊中光發(fā)射器所在的一側(cè)。半導(dǎo)體制冷器和散熱器用導(dǎo) 熱硅膠粘結(jié)在光收發(fā)模塊的上側(cè)以便更好控制溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述，其特征在于，在工作一定時(shí)間之后，再次在特定 25°C時(shí)把溫度采集信息傳輸?shù)紽PGA的信息重新輸入到FPGA中作為標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)據(jù)，這樣就 避免由于器件老化帶來的誤差，提高了精度，降低了成本。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述，其特征在于，可以控制32X32光交換機(jī)的陣列 光收發(fā)模塊的溫度，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，如控制64X64光交換機(jī)的陣列光收發(fā)模 塊的溫度等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述，其特征在于，采用了全功率、Fuzzy+PD算法、Fuzzy+PID算法來計(jì)算溫度控制量，達(dá)到更精確、更快速的控制效果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光交換機(jī)中陣列光收發(fā)模塊的智能溫控方法，該方案包括溫度傳感器，電壓放大電路，8通道16位D/A轉(zhuǎn)換模塊、8通道16位A/D轉(zhuǎn)換模塊、中央處理模塊、FPGA的配置模塊、半導(dǎo)體制冷器TEC、鍵盤、液晶顯示屏及串口通信模塊等組成。通過與陣列光收發(fā)模塊粘接一起的溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，這個(gè)電壓信號放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊后傳輸?shù)街醒胩幚砟K中，通過溫控算法計(jì)算出控制量，該控制信息通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成TEC的控制量，再經(jīng)過TEC實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的智能溫度控制。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)模塊同時(shí)大范圍的溫控，具有實(shí)時(shí)、精度高、效率高、溫控范圍大及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。
文檔編號H04Q11/00GK101876833SQ20101021005
公開日2010年11月3日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者付納科, 張崇富, 邱昆 申請人:電子科技大學(xué)