CN102289197B - 可调光衰减器集成控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可调光衰减器集成控制系统及控制方法，系统有：配置管理模块，输入量管理模块，衰减量电压查找表，第一可配置定时器，第二可配置定时器，第三可配置定时器，查表管理模块，PID输入管理模块，PID计算速度管理模块，PID计算模块，输出量管理模块。方法是：启动配置管理模块；启动输入量管理模块；计算出当前实际衰减量；进入查表管理；进入PID输入管理操作；计算当前期望衰减值及当前实际衰减值；判断第二可配置定时器定时时间；进行PID计算；输出计算结果至输出量管理模块；计算当前查表衰减量和查表门限设置值；判断当前查表衰减量是否小于等于查表门限设置值；判断第一可配置定时器定时时间是否已到。本发明可实现对不同类型可调光衰减器的控制。

Description

可调光衰减器集成控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种光衰减器。特别是涉及一种可调光衰减器集成控制系统及控制方法。

背景技术

光衰减器的主要功能是用来减低或控制光信号，例如在WDM网络系统上，用来缩小通道间的能量差距和维持所有通道信噪比(S/N)一定，因此光放大器、DWDM模组都会用到。光衰减器有许多种类的制造方式，包括藉由调整空气间隙改变一对光纤端面之间的损失，或应用滤波器方式影响入射光，这些制造方法皆可用于固定式和可调式光衰减器。常见的可调光衰减器，如MEMS型、声光调制型等最终均须藉由电压/电流的调制实现对光衰减器的控制。

在已知技术中，对于可调光衰减器电压/电流的调制，可以分为以下类型：

1、电压/电流逐步逼近法。一般基于对可调光衰减器的输入和输出光功率的实时检测，通过不断加减控制光衰减器的电压或者电流，逐步逼近控制目标衰减量的方法，完成对可调式光衰减器的控制；

2、PID反馈控制。同方法1类似，不同点在于，在调整电压/电流时，使用了PID控制方法；

3、查表法。通过将可调光衰减器的衰减量(dB)-电压的关系，形成表格，并将此表格存储，当需要调节可调光衰减器时，根据设定衰减量，通过查表的办法，输出控制电压，控制可调光衰减器。

在已知方法中，通常选定控制方式后，便采取确定的方法控制可调式光衰减器。随着光网络的飞速发展，光网络的动态特性要求全网系统既要有较快速的响应速度，亦要有较小的光功率波动。可调光衰减器作为光网络系统的重要单元，相应的也需要快速响应光网络日趋复杂的要求，这样便凸显了传统控制方式在对可调光衰减器控制方式上过于单一、简单化的缺陷。比如，在含有可调式光衰减器的EDFA设计中，实际应用中，在瞬态发生时，要求通过快速调整可调光衰减器补偿增益的斜率，这样就要求快速调整可调光衰减器；而同时，如可调光衰减器在EDFA中作用还包括实现增益改变功能时，此时过快的调整可调光衰减器，将会导致单波长产生过冲或者欠冲。这样，以上传统控制算法无法较好适应这种复杂的需求。同样地，对于不同类型不同特性的可调光衰减器，在已知技术中，往往需要藉由重新设计软件的方法来完成对不同可调光衰减器的控制，这样便缺乏灵活性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够使控制可调光衰减器的算法更具有普适性与灵活性，可提高可调光衰减器的动态性能，满足当前及未来光网络的复杂需求，易于重构的可调光衰减器集成控制系统及控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种可调光衰减器集成控制系统，包括：

配置管理模块，用于实现控制的可配置化操作；

输入量管理模块，用于接收可调光衰减器的输入端光功率、输出端光功率及目标衰减量；

衰减量电压查找表，用于存储可调光衰减器衰减量和电压之间对应的数值关系；

第一可配置定时器，接收配置管理模块的信息，并与查表管理模块相连，用于定时查表管理模块每一步查表操作刷新时间；

第二可配置定时器，接收配置管理模块的信息，用于定时每一步输出上述目标控制量及反馈控制量的操作的刷新时间；

第三可配置定时器，接收配置管理模块的信息，用于定时PID计算中每一个计算步骤的刷新时间；

查表管理模块，分别接收输入量管理模块、配置管理模块和第一可配置定时器的信息，同时连接衰减量电压查找表，用于管理查表的方式；

PID输入管理模块，分别接收配置管理模块、第二可配置定时器和输入量管理模块的信息，并连接PID计算模块，用于管理输入到PID计算模块的目标控制量及反馈控制量；

PID计算速度管理模块，接收第三可配置定时器的信息，并连接PID计算模块，用于管理PID计算中每一个计算步骤的运算速度；

PID计算模块，分别接收配置管理模块、PID输入管理模块和PID计算速度管理模块的信息，用于实现PID算法；

输出量管理模块，分别接收查表管理模块和PID计算模块的信息，实现输出量的输出。

所述的配置管理模块包括查表步长设置寄存器、查表回滞区设置值寄存器、PID输入参数刷新步长寄存器、第一定时器定时设置寄存器、第二定时器定时设置寄存器、第三定时器定时设置寄存器、输出低电压门限寄存器和输出高电压门限寄存器。

一种用于可调光衰减器集成控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1)启动配置管理模块，并设置配制管理模块中所有的寄存器；

2)启动输入量管理模块，接收当前输入光功率、输出光功率和目标衰减量；

3)计算出当前实际衰减量，并输出当前实际衰减量和目标衰减量至下一步骤和第5步骤；

4)进入查表管理，启动第一可配置定时器，并判断是否需要查表操作，是则进入第10步骤，否则进入下一步骤；

5)进入PID输入管理操作，启动第二可配置定时器和第三可配置定时器；

6)计算当前期望衰减值及当前实际衰减值，并判断当前期望衰减值是否小于等于当前实际衰减值，若当前期望衰减值大于当前实际衰减值则当前期望衰减值为当前衰减量+PID输入参数刷新步长设置值；否则当前期望衰减值＝目标衰减量；

7)判断第二可配置定时器定时时间是否已到，是则返回第六步骤循环以及输出当前期望衰减值和当前实际衰减值，否则继续判断第二可配置定时器定时时间是否已到；

8)根据第三可配置定时器定时时间进行PID计算；

9)输出PID计算结果至输出量管理模块；

10)计算当前查表衰减量和查表门限设置值；

11)判断当前查表衰减量是否小于等于查表门限设置值，是进行查表，否则返回第5步骤；

12)判断第一可配置定时器定时时间是否已到，是则输出查表结果至输出量管理模块并返回第10步骤，否则继续判断第一可配置定时器定时时间是否已到。

第1步骤所述的设置配制管理模块中所有的寄存器，包括配置查表管理模块中查表步长值、PID输入管理模块的PID输入参数刷新步长、第一定时器定时时间、第二定时器定时时间、第三定时器定时时间、输出低电压门限、输出高电压门限。

第3步骤所述的当前实际衰减量的计算式如下：

当前实际衰减量：VOAact_att＝Pvoa_in-Pvoa_out←(501)

式501中：Pvoa_in表示可调光衰减器输入端输入光功率，Pvoa_out表示可调光衰减器输出端输出光功率，VOAact_att表示可调光衰减器当前实际衰减量。

第6步骤所述的当前期望衰减值是当前衰减量加上PID输入参数刷新步长设置值，所述的当前实际衰减值等于当前衰减量。

第10步骤所述的当前查表衰减量是当前衰减量加上查表步长设置值；所述的查表门限设置值是目标衰减量减去查表回滞区设置值。

第8步骤所述的PID计算中，为防止PID计算的上/下溢出，加快PID算法的收敛速度，采用了饱和抑制算法，具体实现方式为，PID计算模块接收第1步骤中对应输出高电压寄存器及输出低电压寄存器中设置的电压上下限阈值，当PID计算结果超出上限阈值或者下限阈值时，认为PID进入饱和区域，此时，PID计算只进行抑制饱和的运算，而不进行增强饱和的运算。

本发明的可调光衰减器集成控制系统及控制方法，具有如下优点：

1、在查表方法和PID计算方法中，引入了一种可配置的定时步长刷新机制，使算法具有更广泛的适应性，具有更强的灵活性；

2、积木式结构，具备一定的自适应特性，通过简单配置参数即能够适应不同的控制需求；

3、动态特性好，响应速度快；

4、控制稳定，不产生过调及欠调；

5、根据参数的配置，可最大限度的发挥可调光衰减器的性能；

6、通过改变配置参数，可实现对不同类型可调光衰减器的控制。

附图说明

图1是一种常见的可调光衰减器系统示意图；

图2是本发明实施例的可调光衰减器集成控制系统及控制方法的结构框图；

图3是本发明实施例的可调光衰减器集成控制系统及控制方法的控制流程图。

其中：

201：输入量管理模块        202：配置管理模块

203：第一可配置定时器      204：查表管理模块

205：衰减量电压查找表      206：第二可配置定时器

207：PID输入管理模块       208：第三可配置定时器

209：PID计算速度管理模块            210：PID计算模块

211：输出量管理模块

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明可调光衰减器集成控制系统及控制方法的做出详细说明。

本发明的可调光衰减器集成控制系统及控制方法，是在传统的控制算法基础上，结合可调光衰减器的特点，提出一种易于重构的实现可调光衰减器快速稳定控制的集成式控制方法。通过这种控制系统及控制方法的实施，亦可提高可调光衰减器的动态性能，满足当前及未来光网络的复杂需求。

如图2所示，本发明的可调光衰减器集成控制系统，包括有：配置管理模块202，用于实现控制的可配置化操作；输入量管理模块201，用于接收可调光衰减器的输入端光功率、输出端光功率及目标衰减量；衰减量电压查找表205，用于存储可调光衰减器衰减量和电压之间对应的数值关系；第一可配置定时器203，接收配置管理模块202的信息，并与查表管理模块204相连，用于定时查表管理模块每一步查表操作刷新时间；第二可配置定时器206，接收配置管理模块202的信息，用于定时每一步输出上述目标控制量及反馈控制量的操作的刷新时间；第三可配置定时器208，接收配置管理模块202的信息，用于定时PID计算中每一个计算步骤的刷新时间；查表管理模块204，分别接收输入量管理模块201、配置管理模块202和第一可配置定时器203的信息，同时连接衰减量电压查找表205，用于管理查表的方式；PID输入管理模块207，分别接收配置管理模块202、第二可配置定时器206和输入量管理模块201的信息，并连接PID计算模块210，用于管理输入到PID计算模块的目标控制量及反馈控制量；PID计算速度管理模块209，接收第三可配置定时器208的信息，并连接PID计算模块210，用于管理PID计算中每一个计算步骤的运算速度；PID计算模块210，分别接收配置管理模块202、PID输入管理模块207和PID计算速度管理模块209的信息，用于实现PID算法；输出量管理模块211，分别接收查表管理模块204和PID计算模块210的信息，实现输出量的输出。

所述的配置管理模块202包括查表步长设置寄存器、查表回滞区设置值寄存器、PID输入参数刷新步长寄存器、第一定时器定时设置寄存器、第二定时器定时设置寄存器、第三定时器定时设置寄存器、输出低电压门限寄存器和输出高电压门限寄存器。

本发明的可调光衰减器集成控制系统，具体工作过程为：配置管理模块接收所有设置参数，完成上述所有寄存器的设置，包括配置查表管理模块中查表步长值、查表回滞区设置值、PID输入管理模块PID输入参数刷新步长、第一可配置定时器、第二可配置定时器、第三可配置定时器、输出低电压门限、输出高电压门限；然后，输入量管理模块接收可调光衰减器的输入端光功率、输出端光功率及目标衰减量，经过处理，输出可调光衰减器当前目标衰减量到查表管理模块，输出当前实际衰减量及当前目标衰减量到PID输入管理模块；根据从配置管理模块接收到的查表步长设置，配合第一可配置定时器，查表管理模块输出对应的电压设置值输出到输出量管理模块；然后，进入PID输入管理模块，根据从配置管理模块接收到的PID输入参数刷新步长设置，配合第二可配置定时器，将目标控制量及反馈控制量输出到PID计算模块；PID计算模块按照当前输入的被调量及目标量，配合第三可配置定时器，输出PID计算结果到输出量管理模块；最后输出量管理模块将结果输出到对应的控制可调光衰减器的执行机构。

如图3所示，本发明的用于可调光衰减器集成控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1)在301中，启动配置管理模块，并设置配制管理模块中所有的寄存器，即写入系统设定值到各个寄存器；

所述的设置配制管理模块中所有的寄存器，包括配置查表管理模块中查表步长值、PID输入管理模块的PID输入参数刷新步长、第一定时器定时时间、第二定时器定时时间、第三定时器定时时间、输出低电压门限、输出高电压门限。

2)在302中，启动输入量管理模块，接收可调光衰减器当前输入光功率、输出光功率和设置的目标衰减量；

3)在303中，根据在302中接收到的数据，计算出当前实际衰减量，并在304中输出当前实际衰减量和目标衰减量至下一步骤和第5步骤，即将当前实际衰减量及设定的目标衰减量输出到查表管理操作305及PID输入管理操作313中；

所述的当前实际衰减量的计算式可表示如下：

当前实际衰减量：VOAact_att＝Pvoa_in-Pvoa_out←(501)

式501中：Pvoa_in表示可调光衰减器输入端输入光功率，Pvoa_out表示可调光衰减器输出端输出光功率，VOAact_att表示可调光衰减器当前实际衰减量。

4)在305中，进入查表管理，开始查表相关操作，在306中，启动第一可配置定时器，并根据在305中接收到的相关数据及301中相关寄存器的设置值，在307中，判断是否需要查表操作，是进入第10步骤，执行308、309、310、311、312中的操作，否则进入下一步骤则执行313分支下的各操作；

5)在313中，进入PID输入管理操作，并进入314启动第二可配置定时器和第三可配置定时器；

6)在315中，计算当前期望衰减值及当前实际衰减值，并在316中，判断当前期望衰减值是否小于等于当前实际衰减值，若当前期望衰减值大于当前实际衰减值则当前期望衰减值为当前衰减量+PID输入参数刷新步长设置值，否则当前期望衰减值＝目标衰减量，即，按照判断结果，或返回315或选择317或者318的结果，然后，进入到319中；

317中，所述的当前期望衰减值是当前衰减量加上PID输入参数刷新步长设置值，318中，所述的当前实际衰减值等于当前衰减量。

7)在319中，判断第二可配置定时器定时时间是否已到，是则返回第六步骤循环，以及输出当前期望衰减值和当前实际衰减值，即，在320中，等待第二可配置定时器定时时间到后，进入320中，同时，当第二可配置定时器定时时间到时，启动步骤315的计算。否则继续在319中判断第二可配置定时器定时时间是否已到；

8)在321中，根据第三可配置定时器定时时间进行PID计算，将结果送给322中；

所述的PID计算中，为防止PID计算的上/下溢出，加快PID算法的收敛速度，采用了饱和抑制算法，具体实现方式为，PID计算模块接收第1步骤中对应输出高电压寄存器及输出低电压寄存器中设置的电压上下限阈值，当PID计算结果超出上限阈值或者下限阈值时，认为PID进入饱和区域，此时，PID计算只进行抑制饱和的运算，而不进行增强饱和的运算。

本方法所述PID计算及饱和抑制算法可表示如下：

VOApid之偏差项的计算：ERRatt(Ti)＝VOAexp_att(Ti)-VOAact_att(Ti)←(502)

VOApid之比例项计算：VOApid_p(Ti)＝P*ERRatt(Ti)←(503)

VOApid之积分项计算：

PID计算公式： VOApid(Ti)＝VOApid_p(Ti)+VOApid_i(Ti)←(505)

判决条件1：   VOApid(Ti)＞＝VOAvoltage_high_thr←(506)

判决条件2：   VOApid(Ti)＜＝VOAvoltage_low_thr ←(507)

饱和抑制计算：VOApid_i(Ti+1)＝VOApid_i(Ti)←(508)

其中：式502中VOAexp_att(Ti)表示Ti时刻可调光衰减器期望衰减值，VOAact_att(Ti)表示Ti时刻可调光衰减器实际衰减值(来自于式501计算结果)，ERRatt(Ti)表示Ti时刻可调光衰减器实际偏差值；式503为Ti时刻PID之比例项VOApid_p的计算方法，其中P为可设置的比例因子；式504为Ti时刻PID之积分项VOApid_i的计算方法，其中I为可设置的比例因子；式503为Ti时刻PID计算方法；式506为判决条件1，VOAvoltage_high_thr表示第1步骤中对应输出高电压寄存器中存储的高电压门限；式507为判决条件2，VOAvoltage_low_thr表示第1步骤中对应输出低电压寄存器中存储的低电压门限；式508为饱和抑制方法示意，其表示的意义在于，若当前时刻的PID计算结果满足式506或式507时，停止对积分项的累加操作。

9)在322中输出PID计算结果至输出量管理模块，即，将PID计算结果送出到步骤323；

如此往复的执行步骤315～320，不断进行PID计算，逼近目标控制量。在323中，将计算结果送给控制可调光衰减器的电路执行机构，实现对可调光衰减器的控制。

10)在308中，计算当前查表衰减量和查表门限设置值，得到相关操作量，接着在步骤309～312中，执行带步长控制的查表操作；

所述的当前查表衰减量是当前衰减量加上查表步长设置值；所述的查表门限设置值是目标衰减量减去查表回滞区设置值。

11)在309中，判断当前查表衰减量是否小于等于查表门限设置值，是进入310中进行查表，否则返回第5步骤，即进入313中；

12)在311中，判断第一可配置定时器定时时间是否已到，是则输出查表结果至输出量管理模块，即通过312进入323中，同时返回第10步骤，即308中，否则继续在311中判断第一可配置定时器定时时间是否已到。

即在309～312中，执行带步长控制的查表操作，在每一步的查表操作中，按照第一可配置定时器的定时时间，将查表结果输出到323中，同时，按照第一可配置定时器的定时时间，刷新当前查表衰减量；直到满足步骤309中退出条件时，退出308～312，进入313中。

根据上述实施实例说明，可以看出，本发明中对查表方法及PID计算方法均引入了一种可配置的定时刷新步长逼近目标衰减量的方法，控制了查表步骤及PID计算步骤的整体操作速度，可适应不同的应用环境，适用于不同类型可调光衰减器的控制。

本说明书参照优先实例详细说明了本发明。但是，本发明并不局限于这些实施例，而是应该包括不脱离权利要求的精神和广泛的各种变换和修改。

Claims (7)

1.一种可调光衰减器集成控制系统，其特征在于，包括：

配置管理模块（202），用于实现控制的可配置化操作，所述的配置管理模块（202）包括查表步长设置寄存器、查表回滞区设置值寄存器、PID输入参数刷新步长寄存器、第一可配置定时器定时设置寄存器、第二可配置定时器定时设置寄存器、第三可配置定时器定时设置寄存器、输出低电压门限寄存器和输出高电压门限寄存器；

输入量管理模块（201），用于接收可调光衰减器的输入端光功率、输出端光功率及目标衰减量；

衰减量电压查找表（205），用于存储可调光衰减器衰减量和电压之间对应的数值关系；

第一可配置定时器（203），接收配置管理模块（202）的信息，并与查表管理模块（204）相连，用于定时查表管理模块每一步查表操作刷新时间；

第二可配置定时器（206），接收配置管理模块（202）的信息，用于定时配置管理模块（202）输出的每一步目标控制量及反馈控制量的操作刷新时间；

第三可配置定时器（208），接收配置管理模块（202）的信息，用于定时PID计算中每一个计算步骤的刷新时间；

查表管理模块（204），分别接收输入量管理模块（201）、配置管理模块（202）和第一可配置定时器（203）的信息，同时连接衰减量电压查找表（205），用于管理查表的方式；

PID输入管理模块（207），分别接收配置管理模块（202）、第二可配置定时器（206）和输入量管理模块（201）的信息，并连接PID计算模块（210），用于管理输入到PID计算模块的目标控制量及反馈控制量；

PID计算速度管理模块（209），接收第三可配置定时器（208）的信息，并连接PID计算模块（210），用于管理PID计算中每一个计算步骤的运算速度；

PID计算模块（210），分别接收配置管理模块（202）、PID输入管理模块（207）和PID计算速度管理模块（209）的信息，用于实现PID算法；

输出量管理模块（211），分别接收查表管理模块（204）和PID计算模块（210）的信息，实现输出量的输出。

2.一种用于权利要求1所述的可调光衰减器集成控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）启动配置管理模块，并设置配制管理模块中所有的寄存器；

2）启动输入量管理模块，接收当前输入端光功率、输出端光功率和目标衰减量；

3）计算出当前实际衰减量，并输出当前实际衰减量和目标衰减量至下一步骤和第5步骤；

4）进入查表管理，启动第一可配置定时器，并判断是否需要查表操作，是则进入第10步骤，否则进入下一步骤；

5）进入PID输入管理操作，启动第二可配置定时器和第三可配置定时器；

6）计算当前期望衰减值及当前实际衰减值，并判断当前期望衰减值是否小于等于当前实际衰减值，若当前期望衰减值大于当前实际衰减值则当前期望衰减值为当前衰减量+PID输入参数刷新步长设置值；否则当前期望衰减值=目标衰减量；

7）判断第二可配置定时器定时时间是否已到，是则返回第六步骤循环以及输出当前期望衰减值和当前实际衰减值，否则继续判断第二可配置定时器定时时间是否已到；

8）根据第三可配置定时器定时时间进行PID计算；

9）输出PID计算结果至输出量管理模块；

10）计算当前查表衰减量和查表门限设置值；

11）判断当前查表衰减量是否小于等于查表门限设置值，是进行查表，否则返回第5步骤；

12）判断第一可配置定时器定时时间是否已到，是则输出查表结果至输出量管理模块并返回第10步骤，否则继续判断第一可配置定时器定时时间是否已到。

3.根据权利要求2所述的用于可调光衰减器集成控制系统的控制方法，其特征在于，第1步骤所述的设置配制管理模块中所有的寄存器，包括配置查表管理模块中查表步长值、PID输入管理模块的PID输入参数刷新步长、第一可配置定时器定时时间、第二可配置定时器定时时间、第三可配置定时器定时时间、输出低电压门限寄存器、输出高电压门限寄存器。

4.根据权利要求2所述的用于可调光衰减器集成控制系统的控制方法，其特征在于，第3步骤所述的当前实际衰减量的计算式如下：

当前实际衰减量：VOAact_att=Pvoa_in-Pvoa_out←(501)

式501中：Pvoa_in表示可调光衰减器输入端光功率，Pvoa_out表示可调光衰减器输出端光功率，VOAact_att表示可调光衰减器当前实际衰减量。

5.根据权利要求2所述的用于可调光衰减器集成控制系统的控制方法，其特征在于，第6步骤所述的当前期望衰减值是当前衰减量加上PID输入参数刷新步长设置值，所述的当前实际衰减值等于当前衰减量。

6.根据权利要求2所述的用于可调光衰减器集成控制系统的控制方法，其特征在于，第10步骤所述的当前查表衰减量是当前衰减量加上查表步长设置值；所述的查表门限设置值是目标衰减量减去查表回滞区设置值。

7.根据权利要求2所述的用于可调光衰减器集成控制系统的控制方法，其特征在于，第8步骤所述的PID计算中，为防止PID计算的上/下溢出，加快PID算法的收敛速度，采用了饱和抑制算法，具体实现方式为，PID计算模块接收第1步骤中对应输出高电压寄存器及输出低电压寄存器中设置的电压上下限阈值，当PID计算结果超出上限阈值或者下限阈值时，认为PID进入饱和区域，此时，PID计算只进行抑制饱和的运算，而不进行增强饱和的运算。

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